Кислицын А.А. Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц

16 (1). Экспериментальные доказательства существования спина и магнитного момента электрона.

Опыт Штерна и Герлаха

(Stern O., Gerlach W., 1921-1922гг).

В вакуумной трубке находится маленькая печь, которая нагревает источник серебра. Атомы сере- бра при испарении вылетают из отверстия печи. Система щелей формирует узкий параллельный пучок атомов, который проходит через неодно- родное магнитное поле между полюсами магнита

и попадает на экран.

Рассмотрим силы, действующие на атом в неод- нородном магнитном поле. Если атом имеет маг- нитный момент μ, то его удобно представить в ви- де μ = m0p – магнитного диполя, где m0 – фиктив- ный “магнитный заряд”, сосредоточенный в каж-

дом из полюсов диполя, p – расстояние между

“магнитными зарядами”.

Сила, действующая на диполь в направлении Z равна:

FZ F2 F1 m0 B dB m0 B m0dB m0 dZdB dZ m0 dZdB p cos dZdB cos

Итак,

FZ dZdB cos

так что в зависимости от ориентации вектора(т.е. от угла α) ди- поль будет смещаться вдоль Z либо в сторо-

ну увеличения, либо в сторону уменьшения индукции внешнего поля. Измеряя отклонение пучка атомов мо- жно не только доказать существование магнитного момента атома, но и измерить его, а также проверить правила квантования. Главная техническая трудность опыта состояла в создании такого поля, чтобы его не- однородность была заметна на расстояниях порядка размера атома. Такую неоднородность удалось соз- дать специальным выбором формы полюсных нако- нечников магнита.

Если атомы могут ориентироваться произвольно относительно внешнего поля, то узкий первона- чальный пучок растянется в широкую полосу в со-

ответствии с произвольным значением cos α в пределах –1≤ cos α ≤ +1. Если же ориентация маг-

нитных моментов подчиняется правилам кванто-

вания, т.е. если cos α может принимать только оп-

ределенные дискретные значения, то первона- чальный пучок расщепится на несколько пучков. Опыт с серебром показал, что пучок расщепляет- ся на два пучка: на экране возникают две полоски

симметрично оси Y. Позднее подобные опыты бы- ли поставлены с водородом и щелочными метал-

лами; их результаты аналогичны.

Восновном состоянии 5s1 атом серебра имеет ну-

левой орбитальный момент, поэтому, если бы не было спина электрона, пучок вообще бы не расщеплялся. Опыт показал, что пучок расщеп-

ляется на два пучка; на экране возникают две

полоски симметрично оси Y. Таким образом, опыт свидетельствует, что электрон имеет спин, и проекция спина на направление поля может принимать два значения. По скорости пучка и

величине отклонения был измерен собственный магнитный момент электрона. Он оказался рав- ным, как уже говорилось

Опыт Эйнштейна и де-Гааза (Einstein A., de Haas W., 1915г).

Внутри соленоида на тонкой кварце-

вой нити подвешен

металлический

стержень (игла).

С помощью зерка-

ла измеряется

угол поворота иглы.

При пропускании через соленоид тока игла намаг- ничивается – магнитные моменты атома ориен- тируются вдоль поля соленоида. Но магнитный момент связан с механическим, поэтому при на- магничивании иглы механические моменты ато- мов ориентируются в направлении, противопо- ложном направлению В. До включения магнит- ного поля игла покоилась. При намагничивании

на иглу не действуют никакие закручивающие

внешние силы, поэтому общий момент импуль- са иглы должен остаться неизменным. Следо- вательно, механический момент атомов, ориен-

тированный против поля, должен компенсиро-

ваться моментом всей иглы, направленным противоположно, т.е. игла должна повернуться, и нить закручивается.

Конечно, этот эффект очень мал. Поэтому для его усиления был использован резонанс: через соленоид пропускался переменный ток с часто- той, близкой к собственной частоте крутильных колебаний иглы, подвешенной на нити. При этих условиях эффект был доступен для доста- точно точных измерений не только с ферромаг- нитными веществами, но и с парамагнитными.

Отношение магнитного момента к механическо-

му, определенное из этих опытов, оказалось равным e/me, т.е. вдвое большим, чем для ор- битального момента. Этот результат указыва- ет, что намагничивание иглы обусловлено не орбитальными электронными токами, а собст- венными магнитными моментами электронов.