Опыт Штерна и Герлаха. Спин электрона

Пространственное квантование момента импульса электрона в атоме было подтверждено в опытах Штерна и Герлаха (1922 г.).

Ранее (см. § 19.2) было показано, что с орбитальным моментом импульса связан орбитальный магнитный момент p_m. При пропускании пучка атомов через неоднородное магнитное поле на них будет действовать сила

.

(31.5)

где a — угол между вектором и направлением внешнего магнитного поля. В силу пространственного квантования момента импульса и магнитного момента этот угол может приобретать лишь ряд дискретных значений, поэтому пучок атомов, проходящих через неоднородное магнитное поле, будет расщепляться на 2l+1 пучков, где l — орбитальное квантовое число.

Рис. 31.2

Схема опыта Штерна и Герлаха показана на рис. 31.2, где S — источник атомов; Щ — щели, формирующие атомный пучок: N, S — полюса магнита, создающие магнитное поле высокой неоднородности; n — экран, на котором фиксируется положение пролетевших атомов. В опытах Штерна и Герлаха наблюдалось расщепление атомных пучков, что подтверждало квантово-механический эффект пространственного квантования.

Наиболее интересные результата были получены в этом опыте при изучении пучка атомарного водорода. В основном состоянии у атомарного водорода n=0, l=0, т=0 и, следовательно, расщепления пучка атомов в магнитном поле не должно происходить. Однако в эксперименте наблюдалось раздвоение пучка. Для объяснения этого неожиданного результата было выдвинуто предположение о том, что электрон, кроме орбитального магнитного момента, характеризуется собственным механическим и, следовательно, магнитным моментом, названным спином.

Величина собственного механического момента электрона (в единицах h) определяется спиновым квантовым числом s. Число возможных ориентаций спинового момента электрона (так же как орбитального) должно определяться соотношением 2s+1, а поскольку было экспериментально установлено, что происходит расщепление на два пучка, то 2s+1 и s=1/2. В одном из пучков спин электрона ориентирован вдоль поля, а в другом — в противоположном направлении — этим состояниям сопоставляются значения спинового квантового числа s=+1/2 и s=–1/2.

Первоначально предполагалось, что спин обусловлен вращением электрона вокруг собственной оси. Однако такая механическая модель вызвала ряд затруднений и была оставлена. Спин — это внутреннее неотъемлемое свойство электрона, которое не имеет механической аналогии. Как в последствии показал П. Дирак, существование спинового момента электрона автоматически вытекает из соответствующего квантово-механического уравнения (уравнения Дирака), в котором учтены положения теории относительности.

Поиск по сайту: