Stern Gerlach kísérlet Készítette: Kiss Éva
Történelmi áttekintés 1890. Thomson-féle atommodell ( mazsolás puding ) 1909-1911. Rutherford modell (bolygó hasonlat) Bohr-féle atommodell Frank-Hertz kísérlet
Sommerfeld-féle kvantumfeltételek Hidrogén színképe (több, egymáshoz közeli vonal) Bohr feltétel általánosítása ellipszispályára (gyújtópont az atommag) Az ellipszispályák alakját a feltételekben szereplő n és k meghatározza Az n és a k kvantumszámok Adott n és k esetén az ellipszispálya (2k+1) féleképp helyezkedhet el a térben
Vizsgálják az atomok mágneses nyomatékát A mágneses nyomaték kvantált -> m mágneses kvantumszám Az atom energiaszintjei mágneses tér hatására megváltoznak -> energia függ a kvantumszámtól Mágneses térrel való kölcsönhatás a korábbi energiaszintet felhasítja annyi szintre, amennyi értéket m felvehet adott n mellett Zeemann-effektus: színképvonalak felhasadnak - >mágneses nyomaték iránykvantált
Spint és mágneses momentum kapcsolata Einstein de Haas: tekercs belsejébe vashenger Mágneses tér mágnesezi a vashengert Áram irányát változtatják ->fordul a mágnesezettség Vashenger elfordul Oka: kikapcsoljuk a mágneses teret, az imp. mom. 0, de az imp. mom megmarad-> forgatónyomaték Konklúzió: Mágneses nyomaték arányos az impulzusmomentummal Valójában a spin játszik szerepet, de nem tudták
Stern-Gerlach kísérlet Otto Stern és Walther Gerlach A kísérletet 1922-ben, Frankfurtban végezték Stern asszisztens volt a Frankfurti Egyetem Elméleti Fizikai Intézetében Gerlach asszisztens ugyanitt a Kísérleti Fizika Intézetben Ekkor a Bohr modell alapján írták le az atomokat (még nincs spin)
Részecskék eltérítésével foglalkoznak A kísérlet demonstrálja, hogy az atomok és az elektronok kvantum tulajdonsággal bírnak A kísérletben ezüst atomokból álló részecskesugarakat küldenek át inhomogén téren Figyelik az eltérülést Ha az ezüst atomoknak nincs mágneses momentumuk: egy kupacba érkeznek Ha van: folytonos eloszlás mentén
Az ezüst atomok mágneses momentumának mérésénél tudták, hogy: Ha a mágneses momentum iránya tetszőleges, akkor mindkét irányban csökkeni fog az ezüst atomok száma Ha a mágneses momentum vetülete kvantált, akkor az ezüstnyalábok diszkrét nyalábokra válnak szét Fontos, hogy a kísérletet elektromosan semleges atomokkal végzik, így nem hat a Lorentz-erő Elkerülhető a nagymértékű eltérülés
A kísérleti elrendezés
Analóg esemény: pl. kondenzátor lemezei között átrepül egy elektromos dipól A két végére ható erők semlegesítik egymást A röppálya nem módosul Inhomogén tér esetében a dipól végeire ható erők nagysága nem egyezik meg Eltér a dipól röppályája az egyenestől Itt is ez történik: a mágneses dipól röppályája eltér az egyenestől
Véletlenek A kísérlet az anyag kvantummechanikai tulajdonságait tárja fel Az inhomogén téren átjutó ezüst atomok egy tárgylemezre csapódtak A tárgylemezt eltávolítva a készülékről, valójában semmit nem láttak Stern dohányzott Az olcsó szivar kénje és lélegzete -> ezüst szulfid
Magyarázat: A rendszer sajátállapotban van A J 2 sajátértékei J J + 1 h 2π, és a J z = m h 2π, ahol J a mellékkvantumszám és m pedig a mágneses kvantumszám A mágneses momentum és az impulzusmomentum kapcsolata:μ z = g e 2m e c J z μ z = gmμ B, μ B = eh 4πm e c
Következtetések: A kísérlet egyértelműen bizonyítja az iránykvantálást Miért épp kétfelé hasad? Stern-Gerlach: A spint nem ismerik: J=L Ha l=0 ->m=0-> nincs hasadás Ha l=1 -> m=-1; 0; 1 -> háromfelé hasad A pálya impulzusmomentuma nem okozhat kétfelé hasadást
A kísérlet valódi eredménye: Itt a teljes impulzusmomentum kerül elő Az ezüst atom alapállapoti pályaimpulzusmomentuma zérus (L=0) J=L+S A kísérletben valójában azt kapták, hogy a külső héjon lévő elektron spinjének a z irányú vetülete ħ 2 ; + ħ 2 lehet
A kísérlet után: 1927-ben T. E. Phipps és J. B. Taylor: a kísérlet hidrogén atomokkal (2 részre hasad) A kísérlet nem csak ezüst atomokra érvényes A hidrogén mágneses impulzusa nem 0 alapállapotban Pauli- 3 spin mátrix
Irodalom: https://hu.wikipedia.org/wiki/stern%e2%80%93gerlach-k%c3%ads%c3%a9rlet http://atomfizika.elte.hu/akos/orak/modfizszem/2016pdf/simonj.pdf http://www.phy.bme.hu/epk_fizika/stern-gerlach%20kiserlet.pdf http://tikalon.com/blog/blog.php?article=smoke_and_mirrors http://arpad.elte.hu/~bene/qm/jegyzet.pdf https://www.youtube.com/watch?v=rg4fnag4v-e