Экспериментальные доказательства существования спина и магнитного момента электрона

Август 3, 2022

Главная
Физика
Экспериментальные доказательства существования спина и магнитного момента электрона

Содержание

2. Опыт Штерна и Герлаха (Stern O., Gerlach W., 1921-1922гг). В вакуумной трубке находится маленькая печь, которая
3. Рассмотрим силы, действующие на атом в неод- нородном магнитном поле. Если атом имеет маг- нитный момент
4. Сила, действующая на диполь в направлении Z равна:
5. Итак, так что в зависимости от ориентации вектора (т.е. от угла α) ди- поль будет смещаться
6. Если атомы могут ориентироваться произвольно относительно внешнего поля, то узкий первона- чальный пучок растянется в широкую
7. В основном состоянии 5s1 атом серебра имеет ну-левой орбитальный момент, поэтому, если бы не было спина
8. Опыт Эйнштейна и де-Гааза (Einstein A., de Haas W., 1915г). Внутри соленоида на тонкой кварце- вой
9. При пропускании через соленоид тока игла намаг-ничивается – магнитные моменты атома ориен-тируются вдоль поля соленоида. Но
10. Конечно, этот эффект очень мал. Поэтому для его усиления был использован резонанс: через соленоид пропускался переменный
11. Опыт Барнета (Barnett S., 1909 – 1915 гг.) Опыт Барнета – обратный опыту Эйнштей- на –
13. Скачать презентацию

Слайд 2

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.

Слайд 3

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”.

Слайд 4

Сила, действующая на диполь в направлении Z равна:

Слайд 5

Итак,
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.

Слайд 6

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.

Слайд 7

В основном 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

Слайд 8

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.

Слайд 9

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.

Слайд 10

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.

Слайд 11

Опыт Барнета (Barnett S., 1909 – 1915 гг.)
Опыт Барнета –

обратный опыту Эйнштей-
на – де-Гааза. Железный стержень приво-
дился в быстрое вращение (100 об/сек).
Электроны при вращении ориентируются
в направлении оси вращения, что приводит
к намагничиванию стержня. При вращении
стержня в противоположном направлении он пе-
ремагничивается. Величина возникающего при
вращении стержня магнитного поля очень мала (в
1000 раз меньше магнитного поля Земли). Потре-
бовалось несколько лет работы, чтобы добиться
необходимой точности измерения (ок. 1%).