Страница 81 из 161
Чтобы проверить то, что атомы могут ориентироваться только дискретным образом, Отто Штерн задумал эксперимент, основанный на отклонении молекулярного пучка в неоднородном магнитном поле. Мы уже говорили, что атом со своим магнитным моментом подобен маленькому магниту. Если мы заставим его двигаться в области однородного магнитного поля, то магнитная сила будет действовать на его северный полюс с такой же силой, как и на южный полюс, но в противоположном направлении. Таким образом, его магнитный момент ориентируется в направлении внешнего поля (прецессионное движение, описанное выше), но никакие силы не отклоняют его движение.
Рис. 32. (а) Схема эксперимента Штерна и Герлаха. Молекулярный пучок из печки O проходит между полюсами магнита MM' (один из которых в форме ножа) и попадает на экран S. (б) Магнитное расщепление пучка атомов лития
Если поле неоднородно, то сила, действующая РЅР° северный полюс уже РЅРµ равна силе, действующей РЅР° южный полюс. Получается результирующая сила, действующая РЅР° магнит как целое. РћРЅР° отклоняет атом РѕС‚ его первоначальной траектории. Величина отклонения определяется степенью неоднородности поля, Разумеется, чтобы получить заметное отклонение неоднородность поля должна быть такова, чтобы изменения поля могли Р±С‹ проявиться РЅР° малой длине элементарного магнита (РІ нашем случае это линейные размеры атома около РѕРґРЅРѕР№ сотой миллионной части сантиметра). Штерн добился этого специальной конструкцией полюсов магнита. РћРґРёРЅ полюс был РІ форме ножа, Р° РґСЂСѓРіРѕР№ был плоским (СЂРёСЃ. 32, Р°). РџСЂРё такой конфигурации магнитное поле вблизи острия значительно сильнее, чем РЅР° удалении РѕС‚ него. РўРѕРЅРєРёР№ пучок атомов получался испарением РІ печи вещества, содержащего нужные атомы, Рё пропусканием паров через РґРІР° круглых отверстия, которые формировали пучок, проходящий между полюсами магнита. Каждый индивидуальный атом отклоняется РІ неоднородном поле РІ согласии СЃ величиной Рё направлением его магнитного момента. Следы индивидуальных атомов можно сделать видимыми РЅР° подходящем экране. Рксперимент был очень трудным, так как РІСЃСЏ система должна работать РїСЂРё очень высоком вакууме, чтобы избежать случайных отклонений РёР·-Р·Р° столкновений атомов между СЃРѕР±РѕР№. Р’ то время соответствующие вакуумные насосы были сложны Рё часто выходили РёР· строя. Потребовалось почти РґРІР° РіРѕРґР° между 1921 Рі. Рё 1922 Рі., чтобы выполнить весь эксперимент.
Согласно классической теории, атомы должны отклоняться РІРѕ всех возможных направлениях, поскольку РёС… моменты РјРѕРіСѓС‚ иметь любую ориентацию РїРѕ отношению Рє полю. Поэтому РЅР° экране должно было Р±С‹ наблюдаться большое пятно РѕС‚ падающего РЅР° него пучка. Квантовая теория, напротив, предсказывает, что направления квантованы Рё возможны только ориентации СЃ дискретным номером ориентации. Поэтому след РЅР° экране расщепляется РЅР° конечное число дискретных пучков. Рксперимент, сделанный СЃ атомами серебра, показали, что первая картина исключается. Штерн описал это РІ интервью:
После окончания эксперимента Рё напуска РІРѕР·РґСѓС…Р° Герлах вынул детекторный фланец. РќРѕ РѕРЅ РЅРµ увидел никаких следов атомов серебра РЅР° стеклянной пластинке Рё протянул фланец РјРЅРµ. РЎ Герлахом, смотрящим через РјРѕРµ плечо РІ то время, РєРѕРіРґР° СЏ старался вблизи разглядеть пластинку, РјС‹ были удивлены, увидев как постепенно появляются следы пучка... Наконец, РјС‹ поняли, РІ чем дело. РњРѕРµ жалование доцента было слишком мало, чтобы позволить себе курить хорошие сигары, так что СЏ РєСѓСЂРёР» дешевые. Р’ РЅРёС… было РјРЅРѕРіРѕ серы Рё РјРѕРµ дыхание СЃ дымом превратило серебро РІ сульфат серебра черного цвета. Благодаря этому его можно видеть. Рто было похоже РЅР° проявление фотографической пластинки.
�, наконец, пластинка показала, что пучок расщепляется на два разделенных пучка!
Но результат был не вполне ясен, и эксперименты продолжались, несмотря на большие финансовые трудности, которые в то время испытывала Германия.
Борн начал выступать с серией публичных лекций по теории относительности с целью заработать деньги для продолжения эксперимента.
Позднее Штерн стал профессором РІ Ростоке, Рё Герлах остался РѕРґРёРЅ. РћРЅ повторял эксперимент Рё вместо круглых диафрагм стал использовать прямоугольные диафрагмы для формирования пучка. Рто позволило увеличить число атомов РІ пучке Рё получать более ясные изображения. РќР° СЂРёСЃ. 32, Р± показан результат эксперимента СЃ использованием атомов лития. Результат весьма ясен. Вместо РѕРґРЅРѕРіРѕ широкого пятна получаются РґРІР° хорошо разделенных пятна. Рто РЅРµ только демонстрирует, что атомы имеют магнитный момент, который соответствует угловому моменту СЃ проекциями +1/2 Рё 1/2, РЅРѕ Рё позволяет измерить РёС… значения РІ абсолютных единицах. Разумеется, интерпретация, которую Штерн дал РІ то время, была РЅРµ вполне корректна, поскольку РІРѕ внимание РЅРµ принимался СЃРїРёРЅ электрона (РјС‹ будем говорить РѕР± этом ниже), который должен добавляться Рє моменту электрона РЅР° орбите РїРѕ правилам квантовой механики. Однако основные принципы квантования направления намагничивания остаются РІ силе РІРѕ РІСЃСЏРєРѕРј случае. РњРЅРѕРіРёРµ проблемы, которые возникли РІ результате этого эксперимента, были решены, РєРѕРіРґР° был открыт СЃРїРёРЅ электрона. Р—Р° СЃРІРѕРё эксперименты Штерн получил Нобелевскую премию РїРѕ физике РІ 1943 Рі. Позднее Штерн переехал РІ РЎРЁРђ Рё РІ 1945 Рі. ушел РІ отставку Рё поселился РІ Беркли (Калифорния).