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斯特恩-蓋拉赫實驗
鎖定
斯特恩-蓋拉赫實驗實驗證實
實驗裝置:使銀原子在電爐內蒸發射出,通過狹縫S1、S2形成細束,經過一個抽成真空的不均勻的磁場區域
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(磁場垂直於射束方向),最後到達照相底片上。顯像後的底片上出現了兩條黑斑,表示銀原子經過不均勻磁場區域時分成了兩束。
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根據實驗中的爐温、磁極長度、橫向不均勻磁場的梯度和原子束偏離中心的位移,可計算出原子磁矩在磁場方向上分量的大小。當時測得銀、銅、金和鹼金屬的原子磁矩分量的大小都等於一個玻爾磁子,它們的原子束都只分裂為對稱的兩束。實驗結果説明,原子在磁場中不能任意取向,證實了A.索末菲和P.德拜在1916年建立的原子的角動量在空間某特殊方向上取向量子化的理論。
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斯特恩-蓋拉赫實驗理論詮釋
μz=-mlgμB,ml=J,J-1,…,-J
式中m稱為磁量子數;J為總角動量量子數;μB為玻爾磁子;g為朗德因子(見原子磁矩)。即原子磁矩在磁場中只能取2J+1個分立數值。銀原子的基態是2S1/2,J=1/2,m=1/2,–1/2,所以實驗中在底片上出現兩條黑斑。
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説明磁矩有兩種取值,當時人們並沒有自旋的概念,根據經典理論,軌道角動量的取值只能是整數。解決方案是引入電子自旋。
自旋是一個沒有經典理論對應的物理量,通常人們會把自旋理解為電子自身的轉動,但這種物理圖像不成立:①迄今為止的實驗未發現電子有尺寸的下限,即電子是沒有大小的;②如果把電子自旋設想為有限大小均勻分佈的電荷球圍繞自身轉動,電荷球表面切線速度將超過光速,與相對論矛盾。
因此自旋的物理現象是純粹的量子力學效應。斯特恩-革拉赫實驗説明,原子磁矩取值和自旋磁矩取值無法同時確定,而在經典力學中可以同時確定,這正是量子力學區別於經典力學的本質特徵,體現為海森堡不確定性關係,或者狄拉克非對易代數。
- 參考資料
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- 1. Otto Stern (Biographical) .諾貝爾獎官網[引用日期2016-01-10]
- 2. Otto Stern Facts .諾貝爾獎官網[引用日期2019-08-01]
- 3. Otto Stern .美國國家科學院官網[引用日期2019-08-01]
- 4. 詞條作者:曾謹言.《中國大百科全書》74卷(第二版)物理學 詞條:斯特恩–革拉赫實驗:中國大百科全書出版社,2009-07:426-427頁
- 5. 施特恩-格拉赫實驗 .術語在線—權威的術語知識服務平台[引用日期2021-09-28]