Эксперимент Штерна-Герлаха - Stern–Gerlach experiment

Эксперимент Штерна-Герлаха: атомы серебра движутся в неоднородном магнитном поле и отклоняются вверх или вниз в зависимости от их спина; (1) печь, (2) пучок атомов серебра, (3) неоднородное магнитное поле, (4) классический ожидаемый результат, (5) наблюдаемый результат

В Эксперимент Штерна-Герлаха продемонстрировали, что пространственная ориентация угловой момент является квантованный. Таким образом было показано, что система атомного масштаба обладает внутренне квантовыми свойствами. В первоначальном эксперименте атомы серебра пропускались через пространственно изменяющееся магнитное поле, которое отклоняло их, прежде чем они попали в экран детектора, например, на предметное стекло. Частицы с ненулевым магнитный момент отклоняются из-за магнитного поля градиент, с прямого пути. На экране видны дискретные точки накопления, а не непрерывное распределение,^[1] благодаря их квантованным вращение. Исторически этот эксперимент имел решающее значение для убеждения физиков в реальности квантования углового момента во всех системах атомного масштаба.^[2][3]

После его зачатия Отто Стерн в 1921 году эксперимент был впервые успешно проведен Вальтер Герлах в начале 1922 г.^[1][4][5]

Описание

Смотрите также: Спиновое квантовое число

Воспроизвести медиа

Видео, объясняющее квантовый спин в сравнении с классическим магнитом в эксперименте Штерна – Герлаха

Эксперимент Штерна-Герлаха включает отправку пучка атомов серебра через неоднородный магнитное поле и наблюдая за их отклонением.

Результаты показывают, что частицы обладают внутренним угловой момент это очень похоже на угловой момент классически вращающегося объекта, но принимает только определенные квантованные значения. Другой важный результат заключается в том, что за один раз можно измерить только один компонент спина частицы, а это означает, что измерение спина вдоль оси z уничтожает информацию о спине частицы вдоль осей x и y.

Эксперимент обычно проводится с использованием электрического нейтральные частицы такие как атомы серебра. Это позволяет избежать большого отклонения пути заряженной частицы, движущейся в магнитном поле, и позволяет преобладать спин-зависимым эффектам.^[6][7]

Если рассматривать частицу как классическое вращение магнитный диполь, Так и будет прецессия в магнитном поле из-за крутящего момента, который магнитное поле оказывает на диполь (см. прецессия, вызванная крутящим моментом ).^{[нечеткий ]} Если он движется через однородное магнитное поле, силы, действующие на противоположных концах диполя, нейтрализуют друг друга, и траектория частицы не изменяется. Однако, если магнитное поле неоднородно, то сила на одном конце диполя будет немного больше, чем сила противодействия на другом конце, так что возникает результирующая сила, которая отклоняет траекторию частицы. Если бы частицы были классическими вращающимися объектами, можно было бы ожидать, что распределение их векторов спинового углового момента будет случайный и непрерывный. Каждая частица будет отклоняться на величину, пропорциональную ее магнитному моменту, создавая некоторое распределение плотности на экране детектора. Вместо этого частицы, проходящие через аппарат Штерна-Герлаха, отклоняются вверх или вниз на определенную величину. Это было измерение квантовой наблюдаемый теперь известен как вращение угловой момент, который продемонстрировал возможные результаты измерения, когда наблюдаемая имеет дискретный набор значений или точечный спектр.

Хотя некоторые дискретные квантовые явления, такие как атомные спектры, наблюдались намного раньше, эксперимент Штерна – Герлаха позволил ученым впервые в истории науки наблюдать разделение дискретных квантовых состояний.

Теоретически квантовый угловой момент любого вида имеет дискретный спектр, который иногда кратко выражается как "угловой момент равен квантованный ".

Поэкспериментируйте с частицами с +¹⁄₂ или -¹⁄₂ вращение

Если эксперимент проводится с использованием заряженных частиц, таких как электроны, будет Сила Лоренца который имеет тенденцию изгибать траекторию по кругу. Эту силу можно нейтрализовать электрическим полем соответствующей величины, направленным поперек пути заряженной частицы.

Значения спинов для фермионов

Электроны спин-¹⁄₂ частицы. У них есть только два возможных значения спинового углового момента, измеренные вдоль любой оси, ${\displaystyle +{\frac {\hbar }{2}}}$ или же ${\displaystyle -{\frac {\hbar }{2}}}$, чисто квантово-механическое явление. Поскольку его значение всегда одно и то же, оно рассматривается как внутреннее свойство электронов и иногда называется «собственным угловым моментом» (чтобы отличить его от орбитального углового момента, который может меняться и зависит от присутствия других частиц). Если измерить спин вдоль вертикальной оси, электроны описываются как «вращение вверх» или «вращение вниз» в зависимости от магнитного момента, направленного вверх или вниз, соответственно.

Математически описать эксперимент со спином ${\displaystyle +{\frac {1}{2}}}$ частицы, проще всего использовать Дирак с обозначение бюстгальтера. Когда частицы проходят через устройство Штерна-Герлаха, они отклоняются вверх или вниз и наблюдаются детектором, который разрешает вращение вверх или вниз. Они описываются квантовым числом углового момента ${\displaystyle j}$, который может принимать одно из двух возможных разрешенных значений, либо ${\displaystyle +{\frac {\hbar }{2}}}$ или же ${\displaystyle -{\frac {\hbar }{2}}}$. Акт наблюдения (измерения) импульса вдоль ${\displaystyle z}$ ось соответствует оператору ${\displaystyle J_{z}}$.^{[уточнить ]} С математической точки зрения начальное состояние частиц:

${\displaystyle |\psi \rangle =c_{1}\left|\psi _{j=+{\frac {\hbar }{2}}}\right\rangle +c_{2}\left|\psi _{j=-{\frac {\hbar }{2}}}\right\rangle }$

где константы ${\displaystyle c_{1}}$ и ${\displaystyle c_{2}}$ - комплексные числа. Этот спин в начальном состоянии может указывать в любом направлении. Площади абсолютные значения ${\displaystyle |c_{1}|^{2}}$ и ${\displaystyle |c_{2}|^{2}}$ определить вероятности того, что для системы в начальном состоянии ${\displaystyle |\psi \rangle }$ одно из двух возможных значений ${\displaystyle j}$ находится после измерения. Константы ${\displaystyle c_{1}}$ и ${\displaystyle c_{2}}$ также должны быть нормализованы, чтобы вероятность нахождения любого из значений была равна единице, то есть мы должны гарантировать, что ${\displaystyle |c_{1}|^{2}+|c_{2}|^{2}=1}$. Однако этой информации недостаточно для определения значений ${\displaystyle c_{1}}$ и ${\displaystyle c_{2}}$, потому что это комплексные числа. Следовательно, измерение дает только квадрат величин констант, которые интерпретируются как вероятности.

Последовательные эксперименты

Если связать несколько аппаратов Штерна – Герлаха (прямоугольники, содержащие S-G), мы можем ясно видеть, что они не действуют как простые селекторы, то есть отфильтровывают частицы с одним из состояний (ранее существовавших до измерения) и блокируют другие. Вместо этого они изменяют состояние, наблюдая за ним (как в поляризация света ). На рисунке ниже x и z обозначают направления (неоднородного) магнитного поля, причем плоскость x-z ортогональна пучку частиц. В трех системах S-G, показанных ниже, заштрихованные квадраты обозначают блокировку данного выхода, то есть каждая из систем S-G с блокировщиком позволяет только частицам с одним из двух состояний входить в следующее устройство S-G в последовательности.^[8]

Exp. 1 - Обратите внимание, что z-нейтроны не обнаруживаются на втором анализаторе S-G.

Эксперимент 1

На верхнем рисунке показано, что когда второй идентичный прибор S-G помещается на выходе луча z +, образовавшегося от первого прибора, виден только z + на выходе из второго аппарата. Этот результат является ожидаемым, поскольку ожидается, что все нейтроны в этой точке будут иметь спин z +, поскольку только пучок z + из первого устройства вошел во второй аппарат.^[9]

Exp. 2 - Z-спин известен, теперь измеряется x-спин.

Эксперимент 2

Средняя система показывает, что происходит, когда другое устройство S-G помещается на выходе луча z +, полученного в результате первого устройства, второе устройство измеряет отклонение лучей по оси x вместо оси z. Второй аппарат выдает x + и x- выходы. Классически мы ожидаем, что у одного луча будет ориентация + x-характеристики и ориентация + z-характеристики, а у другого - ориентация x-характеристики и ориентация + z-характеристики.^[9]

Exp. 3 - Нейтроны, которые, как считается, имеют только спин z +, снова измеряются, обнаруживая, что спин z был «сброшен».

Эксперимент 3

Нижняя система противоречит этому ожиданию. Выходные данные третьего прибора, который измеряет отклонение по оси z, снова показывает выход z- а также z +. Учитывая, что ввод во второй аппарат SG был только z +, можно сделать вывод, что прибор SG должен изменять состояния частиц, которые проходят через него. Этот эксперимент можно интерпретировать как проявление принцип неопределенности: поскольку угловой момент не может быть измерен в двух перпендикулярных направлениях одновременно, измерение углового момента в направлении x разрушает предыдущее определение момента количества движения в направлении z. Вот почему третий прибор измеряет обновленные пучки z + и z-, как будто измерение x действительно сделало чистый лист вывода z +.^[9]

История

Мемориальная доска во Франкфуртском институте, посвященная эксперименту

Эксперимент Штерна-Герлаха был разработан Отто Стерн в 1921 году в исполнении им и Вальтер Герлах в Франкфурт в 1922 г.^[8] В то время Стерн был помощником Макс Борн на Франкфуртский университет с Институт теоретической физики,^{[нужна цитата ]} и Герлах был ассистентом в том же университете Институт экспериментальной физики.^{[нужна цитата ]}

Во время эксперимента наиболее распространенная модель для описания атом был Модель Бора,^{[нужна цитата ]} который описал электроны как обойти положительно заряженный ядро только в определенных дискретных атомные орбитали или же уровни энергии. Поскольку электрон был квантованный чтобы находиться только в определенных положениях в пространстве, разделение на отдельные орбиты было названо пространственное квантование. Эксперимент Штерна-Герлаха предназначался для проверки Гипотеза Бора – Зоммерфельда что направление углового момента атома серебра квантовано.^[10]

Отметим, что эксперимент проводился за несколько лет до Уленбек и Goudsmit сформулировали свою гипотезу о существовании спин электрона.^{[нужна цитата ]} Хотя позже оказалось, что результат эксперимента Штерна-Герлаха согласуется с предсказаниями квантовой механики для спиновой¹⁄₂ частицы, эксперимент следует рассматривать как подтверждение Теория Бора – Зоммерфельда.^[11]

В 1927 году Т. Фиппс и Дж.Б. Тейлор воспроизвели эффект, используя водород атомы в их основное состояние, тем самым устраняя любые сомнения, которые могли быть вызваны использованием серебро атомы.^[12] Однако в 1926 г. нерелятивистская Уравнение Шредингера неправильно предсказал магнитный момент водорода равняется нулю в основном состоянии. Чтобы исправить эту проблему Вольфганг Паули ввел «вручную», так сказать, 3 Матрицы Паули которые теперь носят его имя, но которые позже были показаны Поль Дирак в 1928 году быть неотъемлемой частью его релятивистский уравнение.^{[13][самостоятельно опубликованный источник? ]}

Сначала эксперимент проводился с электромагнитом, который позволял постепенно включать неоднородное магнитное поле от нулевого значения.^[1] Когда поле было нулевым, атомы серебра осаждались одной полосой на предметном стекле. Когда поле стало сильнее, середина полосы начала расширяться и в конечном итоге разделиться на две части, так что изображение на стекле выглядело как отпечаток губ с отверстием в середине и закрытием на обоих концах.^[14] В середине, где магнитное поле было достаточно сильным, чтобы разделить луч на две части, по статистике половина атомов серебра была отклонена неоднородностью поля.

Важность

Эксперимент Штерна-Герлаха сильно повлиял на дальнейшие разработки современная физика:

• В последующее десятилетие ученые с помощью аналогичных методов показали, что ядра некоторых атомов также имеют квантованный угловой момент.^{[пример необходим ]} Именно взаимодействие этого ядерного углового момента со спином электрона отвечает за сверхтонкая структура спектроскопических линий.^[15]
• В 1930-х годах, используя расширенную версию аппарата Штерна – Герлаха, Исидор Раби и его коллеги показали, что, используя переменное магнитное поле, можно заставить магнитный момент перейти из одного состояния в другое.^{[нужна цитата ]} Серия экспериментов завершилась в 1937 году, когда они обнаружили, что переходы между состояниями могут быть вызваны с помощью полей, изменяющихся во времени или RF поля. Так называемой Колебание Раби это рабочий механизм для Магнитно-резонансная томография оборудование, найденное в больницах.^{[нужна цитата ]}
• Норман Ф. Рэмси позже модифицировал аппарат Раби, чтобы увеличить время взаимодействия с полем. Чрезвычайная чувствительность из-за частоты излучения делает его очень полезным для измерения точного времени, и он до сих пор используется в атомные часы.^{[нужна цитата ]}
• В начале шестидесятых Рэмси и Даниэль Клеппнер использовал систему Штерна-Герлаха для получения пучка поляризованного водорода в качестве источника энергии для водорода Мазер, которые до сих пор остаются одними из самых популярных атомных часов.^{[нужна цитата ]}
• Прямое наблюдение спина - самое прямое свидетельство квантования в квантовой механике.^{[Почему? ][нужна цитата ]}
• Опыт Штерна-Герлаха стал прототипом ^{[16] [17] [18]} за квантовое измерение, демонстрируя наблюдение единственного реального значения (собственное значение ) изначально неизвестного физического свойства. При входе в магнит Штерна-Герлаха направление магнитного момента атома серебра не определено, но наблюдается либо параллельное, либо антипараллельное направлению магнитного поля, B, на выходе из магнита. Атомы с магнитным моментом, параллельным B были ускорены в этом направлении градиентом магнитного поля; те, у которых были антипараллельные моменты, ускорялись в противоположном направлении. Таким образом, каждый атом, пересекающий магнит, ударяет детектор ((5) на схеме) только в одну из двух точек. В соответствии с квантовое измерение теория волновая функция, представляющая магнитный момент атома, находится в суперпозиция этих двух направлений, входящих в магнит. Единое направление вращения собственное значение регистрируется, когда квант импульса передается от магнитного поля к атому, вызывая ускорение и смещение в этом направлении импульса. ^[19]

Смотрите также

• Поляризация фотона
• Медаль Штерна-Герлаха
• Немецкие изобретатели и первооткрыватели

Рекомендации

1. Герлах, В .; Стерн, О. (1922). "Der Experimentelle Nachweis der Richtungsquantelung im Magnetfeld". Zeitschrift für Physik. 9 (1): 349–352. Bibcode:1922ZPhy .... 9..349G. Дои:10.1007 / BF01326983. S2CID  186228677.
2. Аллан Франклин и Слободан Перович. «Эксперимент по физике, Приложение 5». В Эдварде Н. Залта (ред.). Стэнфордская энциклопедия философии (Издание зимы 2016 г.). Получено 2018-08-14.
3. Фридрих, Б .; Гершбах, Д. (2003). «Стерн и Герлах: как плохая сигара помогла переориентировать атомную физику». Физика сегодня. 56 (12): 53. Bibcode:2003ФТ .... 56л..53Ф. Дои:10.1063/1.1650229. S2CID  17572089.
4. Герлах, В .; Стерн, О. (1922). "Das Magnetische Moment des Silberatoms". Zeitschrift für Physik. 9 (1): 353–355. Bibcode:1922ZPhy .... 9..353G. Дои:10.1007 / BF01326984. S2CID  126109346.
5. Герлах, В .; Стерн, О. (1922). "Der Experimentelle Nachweis des magnetischen Moments des Silberatoms". Zeitschrift für Physik. 8 (1): 110–111. Bibcode:1922ZPhy .... 8..110G. Дои:10.1007 / BF01329580. S2CID  122648402.
6. Мотт, Н.Ф., Мэсси, H.S.W. (1965/1971). Теория атомных столкновений, третье издание, Oxford University Press, Oxford UK, стр. 214–219, §2, гл. IX, перепечатано в Уиллер, Дж.; Zurek, W.H. (1983). Квантовая теория и измерения. Принстон, штат Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета. С. 701–706.
7. Джордж Х. Резерфорд и Райнер Гроб (1997). «Комментарий к» эффекту Штерна-Герлаха для электронных пучков"". Phys. Rev. Lett. 81 (4772): 4772. Bibcode:1998ПхРвЛ..81.4772Р. Дои:10.1103 / PhysRevLett.81.4772.
8. Сакураи, Ж.-Дж. (1985). Современная квантовая механика. Эддисон-Уэсли. ISBN  0-201-53929-2.
9. Циньсюнь, Ли (8 июня 2020 г.). «Эксперимент Штерна Герлаха: описания и разработки» (PDF). Университет науки и технологий Китая: 2–5. Получено 24 ноября 2020.
10. Стерн, О. (1921). "Ein Weg zur Experimentellen Pruefung der Richtungsquantelung im Magnetfeld". Zeitschrift für Physik. 7 (1): 249–253. Bibcode:1921ZPhy .... 7..249S. Дои:10.1007 / BF01332793. S2CID  186234469.
11. Вайнерт, Ф. (1995). «Неправильная теория - правильный эксперимент: значение экспериментов Штерна-Герлаха». Исследования по истории и философии современной физики. 26B (1): 75–86. Bibcode:1995ШПМП..26 ... 75Вт. Дои:10.1016 / 1355-2198 (95) 00002-Б.
12. Phipps, T.E .; Тейлор, Дж. Б. (1927). «Магнитный момент атома водорода». Физический обзор. 29 (2): 309–320. Bibcode:1927ПхРв ... 29..309П. Дои:10.1103 / PhysRev.29.309.
13. А., Хенок (2002). Введение в современную прикладную физику. Lulu.com. п. 76. ISBN  1-4357-0521-1.^{[самостоятельно опубликованный источник ]}
14. Френч, А., Тейлор, Э.Ф. (1979). Введение в квантовую физику, Ван Ностранд Рейнхольд, Лондон, ISBN  0-442-30770-5С. 428–442.
15. Гриффитс, Дэвид (2005). Введение в квантовую механику, 2-е изд.. Пирсон Прентис Холл. п. 267. ISBN  0-13-111892-7.
16. Бом, Дэвид (1951). Квантовая теория. Нью-Йорк: Прентис-Холл. С. 326–330.
17. Готфрид, Курт (1966). Квантовая механика. Нью-Йорк: W. A. ​​Benjamin, Inc., стр. 170–174.
18. Айсберг, Роберт (1961). Основы современной физики. Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья. С. 334–338. ISBN  0-471-23463-X.
19. Деверо, Майкл (2015). «Уменьшение волновой функции атома в магнитном поле Штерна – Герлаха». Канадский журнал физики. 93 (11): 1382–1390. Дои:10.1139 / cjp-2015-0031. HDL:1807/69186. ISSN  0008-4204.

дальнейшее чтение

• Деверо, М. (2015). «Уменьшение волновой функции атома в магнитном поле Штерна-Герлаха». Канадский журнал физики. 93 (11): 1382–1390. Дои:10.1139 / cjp-2015-0031. HDL:1807/69186.
• [1]
• Фридрих, Б .; Гершбах, Д. (2003). «Стерн и Герлах: как плохая сигара помогла переориентировать атомную физику». Физика сегодня. 56 (12): 53. Bibcode:2003ФТ .... 56л..53Ф. Дои:10.1063/1.1650229. S2CID  17572089.
• Райниш, Г. (1999). «Эксперимент Штерна-Герлаха как пионер - и, возможно, самый простой - тест квантовой запутанности?». Письма о физике A. 259 (6): 427–430. Bibcode:1999ФЛА..259..427Р. Дои:10.1016 / S0375-9601 (99) 00472-7.
• Венугопалан, А. (1997). «Декогеренция и состояния кота Шредингера в эксперименте типа Штерна-Герлаха». Физический обзор A. 56 (5): 4307–4310. Bibcode:1997ПхРвА..56.4307В. Дои:10.1103 / PhysRevA.56.4307.
• Hsu, B .; Berrondo, M .; Ван Хуэле, Ж.-Ф. (2011). «Динамика Штерна-Герлаха с квантовыми пропагаторами». Физический обзор A. 83 (1): 012109–1–12. Bibcode:2011PhRvA..83a2109H. Дои:10.1103 / PhysRevA.83.012109.
• Джереми Бернштейн (2010). «Эксперимент Штерна Герлаха». arXiv:1007.2435v1 [Physics.hist-ph ].
• Использование ионов

внешняя ссылка

• Экспериментальная анимация Java-апплета Штерна – Герлаха
• Экспериментальная вспышка Штерна – Герлаха
• Подробное объяснение эксперимента Штерна – Герлаха.
• Правильный эксперимент, неправильная теория: эксперимент Штерна-Герлаха на plato.stanford.edu
• Анимация, приложения и исследования, связанные с вращением (Université Paris Sud)