Штерна-Герлаха опыт. Раби опыт.
Опыт в вакууме. Прохождение
пучка атомов серебра в сильно неоднородном магнитном поле.
Во многих современных учебниках
и монографиях приводится вот такая схема
опыта.
Атомы серебра испаряются в печи
и, пролетая в вакууме через отверстия нескольких диафрагм, попадают в поле
магнита, один полюс которого плоский, другой заострен. Утверждается, что такая геометрия
полюсов создает сильно неоднородный магнитный поток. Однако, см. К ВОПРОСУ об однородности
электрического и магнитного поля . зачем такое поле потребовалось,
совершенно не объясняется.
Продолжим.
На атом водорода с магнитным
моментом и движущимся в сильно неоднородном магнитном поле напряженностью H вдоль линии Z соединяющей полюса магнита действует сила F=m dH/dZ, отклоняющая
его от первоначального направления движения. Обнаружено расщепление пучка на
две компоненты симметричные относительно первичного направления пучка и
отстоящие от него на величину D.
Величина магнитного момента пропорциональна смещению и равна магнетону Бора.
Формула пространственного
квантования проекции mz на линию полюсов магнита магнитного
момента атома
m0 :
mz=m0m (m=0-+1,…)
отсюда гипотеза о существовании
собственного механического момента электрона – спина
занявшись
конкретно разбором опыта, удалось выяснить, что приведенная выше схема не
единственна. Есть и вторая:
Вид прибора в торец.
Прежде чем попасть на фотопластинку P, пучок проходит через неоднородное магнитное поле, создаваемое электромагнитом со специально профилированными наконечниками N и S. Сила, действующая на атом,
.
зависит от угла между H и m. Следовательно, пучок должен расщепиться на 2l+1 компоненту.
Дальше выдержка из стандартного курса физики.
Опыты Штерна и Герлаха действительно обнаружили расщепление атомного пучка и, тем самым, подтвердили квантование момента. Они же показали, что атомы иногда проявляют свойства, необъяснимые в модели орбитального момента. В экспериментах с водородом, щелочными металлами, серебром, золотом отсутствовала несмещённая компонента, и число пучков оказывалось равным двум, то есть, чётным. У всех перечисленных элементов собственный орбитальный момент равен нулю, поэтому следовало ожидать только одной — несмещённой компоненты. Кроме того, расстояние между следами пучков на фотопластинке в этих случаях становилось вдвое больше.
На рис. 18.1.4 приведены два случая. Слева — расщепление, объясняемое в модели орбитального момента при l=2: видно пять компонент с несмещённым пучком в центре. Справа — расщепление на два пучка, причём тому же самому значению магнитного поля отвечает вдвое бóльшее расстояние между ними, чем на левом рисунке.
18.2 Внутренний момент электрона
Чётное число проекций момента возможно
только в том случае, если его абсолютная величина имеет полуцелое значение. В
(2.1) s = 0,1/2, 1, 3/2, 2, 5/2, 3, …
Целому значению s, как и l, соответствует нечётное число проекций, среди которых обязательно присутствует компонента, равная нулю. В случае полуцелого спина набор проекций получается чётным, и нулевой компоненты нет. Результаты опытов Штерна и Герлаха для перечисленных выше элементов получают своё объяснение при s = ½.
Гиромагнитное отношение электрона ge в случае внутреннего момента вдвое больше, чем для орбитального:
(2.2) μ = –2μ0s.
Спин — новая характеристика частицы, наряду с массой и зарядом. Он является более фундаментальной величиной, чем орбитальный момент, который может принять разные значения, в зависимости от условий эксперимента. Спин любой частицы всегда сохраняет своё значение, меняться может лишь его проекция на выбранное направление.
Итак, внутренний механический момент системы выражается через безразмерный вектор s:
M = h s,
квадрат модуля которого равен
|s|² = s(s+1).
Для электрона
(2.3) s = ½.
Спину s соответствует набор проекций, аналогичный (12.3.5):
но s может принимать полуцелое значение и тогда среди чисел ряда (2.4) отсутствует нуль.
В отличие от орбитального момента, спин любой системы частиц ограничен. Поэтому при переходе в классическую область он стремится к нулю вместе с постоянной Планка. Таким образом, спин является чисто квантовым понятием, не имеющим аналога в классической механике.
Пояснение.
Ширина
пучка не является строго единичной (один атом). Атом не факт что априори
является магнитом. Мало того, пройдя точку Кюри (в газообразном виде),
неизвестна вообще способность атома намагничиваться. По крайней мере о
насыщенности говорить не приходится. Скорее он намагничивается при пролете и
в пучке ориентация при пролете любого по
степени однородности поля распределена хаотически и в среднем может быть даже
равномерна. Следовательно, притяжение к разным полюсам тоже должно происходить
равномерно. Отсюда и симметричное расположение компонент на первой схеме. В поле магнита большинство
атомов будет выправлять ориентацию к
ближайшему полюсу, то есть ориентироваться соответствующим полюсом к ближайшему
полюсному наконечнику и будет к нему притягиваться. Современная феноменология
постоянных магнитов совершенно не учитывает краевого эффекта у полюсных
наконечников. На острых кромках (периферия полюсного наконечника) силы притяжения или отталкивания более
значительны, чем в центральной плоской поверхности полюсного наконечника.
Кстати, такой же эффект имеется и в электростатике.
Есть две
схемы проведения опыта.
В первой
пучок пролетает между заостренным и плоским наконечниками магнита.
Острых
кромок две: при входе и при выходе. То есть, линия, соединяющая острую кромку
верхнего полюса и острую кромку нижнего полюса является линей наибольшего
действия силы притяжения. Одна часть пучка спотыкается, отклоняется заостренным
концом верхнего магнита, а вторая часть спотыкается на острых кромках нижнего магнита.
В
результате имеем две компоненты.
Если
увеличить ширину пролета, автоматически увеличим и время пролета и уменьшим
скорость. Тогда не получим ни одной пары.
Если вместо
второго плоского полюса использовать острый наконечник, тоже не получим ни
одной лишней компоненты. По этому-то так и стремились получить
запрограммированную неоднородность поля. При одинаковой острой форме
наконечников краевой эффект сказываться не будет. Опять же играть можно и силой
магнита и расположением пучка.
Во
второй схеме пучок пропускался вдоль длинных полюсных наконечников. Один из них
острый, а противоположный наконечник выполнен
с прямоугольной канавкой посредине.
И до
чего же хитро сделано. Пучок проходит в 5 раз ближе к острой грани верхнего
наконечника, чем к граням нижнего. Что
получается: на входе в магнит имеем три острых места, а на выходе тоже три. Но
при этом за счет близости к верхнему наконечнику, «правильно» к нему ориентированные
атомы до конца не долетают. Во как!!! И получаем вместо 3-х два острых места. В
итоге имеем искомых ПЯТЬ компонент.
Выходит
намеренно навели тень на плетень!!! И что самое интересное, магнитный поток во
втором случае практически как раз более однороден.
Под
углом ко входящему потоку расположил такие наконечники (разинув пасть) и три
компоненты с превеликим удовольствием. Поближе сдвинул, вообще ни одной.
http://katastrofy-phisics.narod.ru/gerlah.html
резкая
критика опыта Рудневым.
автор
правильно подметил время взаимодействия атома с полем, и дело еще и в этой
квадратной выемке с двумя горбами. Отсюда именно растут ноги.
Замечания
к опыту:
Нет
учета того, что при нагреве и испарении атомы любого элемента проходят так
называемую температурную точку Кюри, то есть температуру, при которой даже у
железа практически полностью теряются магнитные свойства. Вопрос, каким именно
способом происходит тогда намагничивание.
Например.
у Семенова [2] отмечается что магнитный моменты полученные Штерном у меди и
серебра совпадают. У свинца не удалось получить вразумительных данных. У
висмута получилось как в оптике - двойное лучепреломление, то есть один пучок
остался на месте, а второй отклонился. Непонятно в откуда расчетах Семенова
взялось оригинальное вычисление скорости от температуры, явно не по Максвеллу и
Больцману.
С
остальными веществами точно такие же
проблемы. Нет устойчивых результатов, которые можно было бы однозначно
трактовать.
Вполне
ожидаемый вопрос о магнитном
моменте, что это такое?
Выводы: опыт решительно ничего не доказывает.
Наоборот, является явной выдачей желаемого за действительное. Существование спина
электрона таким образом под сомнением. И это еще мягко сказано.
Раби
опыт.
Все в
вакууме.
Вопрос
еще в каком и насколько удалось избавится от примесей.
Пары
вещества пучком молекул или атомов поступают в полость между полюсами первого магнита, затем через щель в полость
второго электромагнита с горизонтальным переменным полем и далее в полость
третьего постоянного магнита с перевернутыми полюсами. Далее через щель на
детектор. Прибор служит для определения магнитных моментов атомов элементов и молекул.
Схема работы такая. Пучок частиц разделяется на первом магните.
Как и в
опыте Штерна-Герлаха.
Несмещенная
компонента летит дальше.
Атомы, пролетают через первую щель, после чего
раскачиваются в переменном магнитном
поле перпендикулярном плоскости рисунка. Атомы, число оборотов которых входит в
резонанс с частотой поля не попадают в поле третьего магнита с перевернутыми
полюсами.
Здесь якобы происходит фокусировка атомов, как
правда не объясняется.
Вспомним
про первый опыт.
На самом
деле происходит выправление смещенной компоненты, если таковая получилась после
электромагнита в обратную сторону с одновременным смещением к центру.
Атомы,
которые не успевают сделать этого, во вторую щель не попадают. Чем больше
атомов попадает в резонанс с частотой изменения поля, тем меньше ток на
детекторе, электропроводность среды которого зависит от числа попавших в его
окрестность атомов. Обе щелевые пластины должны изолировать все три объема
камеры друг от друга.
Уменьшение
тока на детекторе говорит о резонансном совпадении частот вращения атома и
возбуждающих колебаний электромагнита из чего можно судить о вращательных скоростях атомов, зависящих от
его магнитных свойств и как ни странно от их атомного веса, то есть от инерционных свойств.
Из этих
характеристик классическая квантовая физика выводит принцип изменения уровней
энергии.
На самом
деле мы имеем посредственный сепаратор и непонятно по какому, в конце концов,
принципу происходит сепарация. То ли по скорости движения, то ль по массе, то
ли по скорости вращения то ли по магнитным свойствам... а еше надо учесть
оригинальный опыт Штерна с определением распределения молекул по скоростям и
тогда все становится еще запутанней.
Скорее
всего, по всем одновременно, а что за цифры получаем в итоге совсем непонятно.
В обоих
случаях не отмечен тот факт, что атомы и молекулы испаренного вещества прошли
точку Кюри и вряд ли имеют намагниченность. А возможно остыв по дороге
намагничиваются магнитами в какой степени опять неизвестность. Тогда очередная
напасть, как быть с диамагнитными веществами. И как быть с некомментируемыми
результатами, полученными в опыте
Штерна – Герлаха.
Выводы:
возможно такую установку можно использовать для сепарации изотопов.
Литература.
1. Новые
опыты с молекулярным пучком по методу Штерна
Г.С. Ландсберг УФН, т. VII, вып. 5, с. 494-496 (1927) http://nuclphys.sinp.msu.ru/UFN/r276e.pdf
2. Н.Н.
Семенов. О молекулярном пучке. УФН, т. V, вып. 1-2, с. 57-79 (1924) http://nuclphys.sinp.msu.ru/UFN/r251d.pdf
Фатьянов А.В. 12.02.2007 31.01.2010 Fatyalink@mail.ru