2.1.2.4 Спін електрона. Дослід Штерна і Герлаха

Визначення дослідним шляхом рівнів енергії атомів вказувало на деяку розбіжність теорії і досліду. Точні вимірювання виявили наявність тонкої структури рівнів. Всі рівні, крім основного, розщеплюються на ряд близьких підрівнів. Спочатку намагались пояснити тонку структуру спектральних ліній врахуванням релятивістських ефектів при русі електрона в атомі. Релятивістська теорія пояснювала сам факт існування тонкої структури, але,

незважаючи на це, виявилось, що енергетичних рівнів значно більше, ніж

передбачалось теоретично.

Пояснити цю розбіжність теорії з дослідом вдалось на основі гіпотези, висунутої Дж. Уленбеком і С. Гаудсмітом у 1925 р. про те, що електрон має власний момент імпульсу, який називають спіном. Наявність спіна в мікрочастинках означає, що деякою мірою вона подібна до маленької дзиги. Однак ця аналогія чисто формальна, оскільки квантові закони істотно змінюють властивості моменту імпульсу. Згідно з квантовою механікою власний момент може мати точкова частинка. Важлива і нетривіальна властивість спіна частинки полягає в тому, що тільки він може задавати виділену орієнтацію в частинці. Наявність власного механічного моменту в електрично заряджених частинках зумовлює наявність в них власного магнітного моменту. Власний магнітний момент можуть мати і нейтральні частинки (нейтрон). Наявність в електронах власного магнітного моменту, а отже, і спіна підтверджує дослід О. Штерна і В. Герлаха при спостереженні розщеплення вузького пучка атомів срібла на два пучки під дією неоднорідного магнітного поля. Зазначимо, що серія дослідів,виконаних Штерном і Герлахом, переконливо довела наявність просторового квантування магнітного моменту μ і атомів.

Прогнозування класичної теорії;

Результати експерименту;

Атоми срібла ;

Нагрівник ;

Неоднорідне магнітне поле.

Рис.7. Схема установки, на якій Штерн і Герлах проводили свій експеримент

Дослід полягав у наступному: пучок атомів срібла пропускали через сильно неоднорідне магнітне поле, створюване потужним постійним магнітом. При проходженні атомів через це поле, в силу наявності в них магнітних моментів, на них діяла сила яка залежить від проекції спіну на напрямок магнітного поля, відхиляюча летящі між магнітами атоми від їх початкового напрямку руху. Причому, якщо припустити, що магнітні моменти атомів орієнтовані хаотично (безперервно), то тоді на розташованої далі по напрямку руху атомів платівці повинна була проявитися розмита смуга. Однак замість цього на платівці утворилися дві досить чіткі вузькі смуги, що свідчило на користь того, що магнітні моменти атомів уздовж виділеного напряму брали лише два визначених значення, що підтверджувало припущення квантово-механічної теорії про квантуванн магнітного моменту атомів. Пізніше з аналогічними результатами були виконані досліди для пучків атомів інших металів, а також пучків протонів і електронів. Ці досліди довели існування магнітного моменту у розглянутих частинок і показали їх квантову природу, явивши собою доказ постулатів квантової теорії.