Опыты Штерна и Герлаха

С 1920 г. разрабатывается важный метод молекулярных и атомных пучков, получивший широкое распространение в атомной физике.

В июньском выпуске журнала "Zeitschrift fur Physik" за 1920 г. появилось предварительное сообщение сотрудника института теоретической физики в Франкфурте-на-Майне Отто Штерна под названием "Непосредственное измерение молекулярной тепловой скорости", в котором описывался новый метод прямого измерения скоростей молекул. По оси цилиндра была протянута серебряная проволочка, накаливаемая током и испарявшая атомы серебра. Узкая щель выделяла пучок атомов, оседающих на поверхности внешнего цилиндра. При вращении цилиндра отложенная атомами полоска смещалась, и по величине смещения, расстоянию от щели до внешнего цилиндра и угловой скорости вращения можно было измерить величину тепловой скорости.

Метод Штерна был применен Максом Борном и Елизабет Борман для измерения длины свободного пробега, а в 1921 г. Штерн начал опыты по пропусканию молекулярного пучка через неоднородное магнитное поле. Опыты эти затем продолжались им совместно с Вальтером Герлахом.

Пусть поле Н неоднородно в направлении своих силовых линий. Тогда сила, действующая на атом, обладающий магнитным моментом М, будет

Под действием этой силы атом получает ускорение

где m - масса атома. Атомы, влетающие в поле перпендикулярно силовым линиям со скоростью υ, отклоняются на величину

где l - длина ребра заостренного-полюса магнита, создающего неоднородность. Схема опыта Штерна-Герлаха была такова: небольшая печь выпускала через отверстие серебряный пар. Диафрагмами выделялся пучок атомов серебра, который проходил на протяжении l через неоднородное магнитное поле и осаждался на приемной пластинке. Оказалось, что в поле пучок расщеплялся на два, отклоняющихся в противоположных направлениях. Это расщепление будет тем более резким, чем больше неоднородность поля. Это расщепление становится понятным, если принять, что для одной части пучка магнитные моменты атомов совпадают с направлением поля, для другой части ему противоположны. Зоммерфельд назвал такое расщепление квантованием направлений. При этом момент отдельного атома оказался равным магнетону Бора - 9,2*10^-21. Результат опытов Штерна-Герлаха противоречит классической теории, согласно которой атомы в магнитном поле совершают прецессирующее движение Лармора. При таком движении угол (, ), образованный направлением магнитного момента и поля, не меняется. Пучок таких прецессирующих атомов в неоднородном магнитном поле будет не расщепляться, а расширяться. Таким образом, опыт Штерна и Герлаха, продемонстрировавший квантование направлений и давший количественное значение магнетона Бора, решил однозначно вопрос в пользу квантовой теории атомного магнетизма.

Факт расщепления атомного пучка на два энергетически различных между собой состояния (антипараллельное состояние энергетически менее выгодно, чем параллельное) труднообъясним, если учесть, что всякое возмущение, например тепловое соударение, неизбежно должно разрушать антипараллельное состояние. Но такого разрушения не обнаружено. "Отсюда следует заключить,- писал Герлах,- что неизвестный (впрочем, также пока непонятный) механизм ориентации работает так быстро, что тепловые соударения в компактном веществе не оказывают никакого влияния на среднюю по времени ориентацию атомов, ионов или молекул".

Вместе с тем специального объяснения требовал тот факт, что из трех возможных значений cos(, ), которые по теории Зоммерфельда получаются при k = 1, а именно cos(, ) = ±1 или 0, последнего значения опыты Штерна-Герлаха не дают. Но все возникшие в связи с опытом Штерна-Герлаха вопросы были сняты введением спина электронов (Юленбек и Гаудсмит, 1925).