Документальные учебные фильмы. Серия «Физика».
Наличие у атомов магнитных моментов и их квантование было доказано прямыми опытами Штерна и Герлаха (1889- 1979) в 1921 г. В сосуде с высоким вакуумом создавался с помощью диафрагм резко ограниченный атомный пучок исследуемого элемента, испаряющегося в печи К. Пучок проходил через сильное магнитное поле Н
между полюсньми наконечниками N и S электромагнита. Один из наконечников (N) имел вид призмы с острым ребром, а вдоль другого (S) была выточена канавка. Благодаря такой конструкции полюсных наконечников магнитное поле получалось сильно неоднородным. После прохождения через магнитное поле пучок попадал на фотопластинку Р и оставлял на ней след.
Рассчитаем поведение атомного пучка сначала с классической точки зрения, предполагая, что никакого квантования магнитных моментов нет. Если m-магнитный момент атома, то на атом в неоднородном магнитном поле действует сила
Направим ось Z вдоль магнитного поля (т. е. от N к S перпендикулярно к полюсным наконечникам). Тогда проекция силы в этом направлении будет
Первые два слагаемых в этом выражении не играют роли.
В самом деле, по классическим представлениям атом в магнитном поле совершает прецессию вокруг оси Z, вращаясь с ларморовской частотой
(заряд лектрона обозначен -е). Поэтому проекции совершают колебания с той же частотой, становясь попеременно то положительными, то отрицательными. Если угловая скорость прецессии достаточно велика, то силу fz можно усреднить по времени. При этом первые два члена в выражении для fz обратятся в нуль, и можно написать
Чтобы составить представление о степени допустимости та кого усреднения, произведем численную оценку. Период ларморовской прецессии равен ,
где поле Н измеряется в гауссах. Например, при Н = 1000 Гс получаем с. Если скорость атомов в пучке равна = 100 м/с = см/с, то за это время атом пролетает расстояние см, пренебрежимо малое по сравнению со всеми характерными размерами установки. Это и доказывает применимость проведенного усреднения.
Но формула может быть оправдана и с квантовой точки зрения. В самом деле, включение сильного магнитного поля вдоль оси Z приводит к состоянию атома только с одной определенной составляющей магнитного момента, а именно . Остальные две составляющие в этом состоянии не могут иметь определенных значений. При измерениях в этом состоянии получили бы различные значения и притом их средние были бы равны нулю. Поэтому и при квантовом рассмотрении усреднение оправдано.
Тем не менее следует ожидать различных результатов опыта с классической и с квантовой точек зрения. В опытах Штерна и Герлаха сначала получался след атомного пучка при выключенном магнитном поле, а затем при включенном. Если бы проекция могла принимать всевозможные непрерывные значения, как требует классическая теория, то сила fz также принимала бы всевозможные непрерывные значения. Включение магнитного поля приводило бы только к уширению пучка. Не то следует ожидать по квантовой теории. В этом случае проекция mz, а с ней и средняя сила fz квантованы, т. е. могут принимать только ряд дискретных избранных значений. Если орбитальное квантовое число атома равно I , то по теории при расщеплении получится пучков (т. е. оно равно числу возможных значений, которые может принимать квантовое число m). Таким образом, в зависимости от значения числа I следовало бы ожидать, что пучок расщепится на 1, 3, 5, ... составляющих. Ожидаемое число составляющих должно было бы быть всегда нечетным.
Опыты Штерна и Герлаха доказали квантование проекции . Однако их результаты не всегда соответствовали теории, изложенной выше. В первоначальных опытах применялись пучки атомов серебра. В магнитном поле пучок расщеплялся на две составляющие. То же получалось для атомов водорода. Для атомов других химических элементов получалась и более сложная картина расщепления, однако число расщепленных пучков получалось не только нечетным, что требовалось теорией, но и четным, что противоречило ей. В теорию необходимо было внести коррективы.
К этому следует добавить результаты опытов Эйнштейна и де Гааза (1878-1966), а также опытов Барнета (1873-1956) по определению гиромагнитного отношения. Для железа, например, оказалось, что гиромагнитное отношение равно т. е. вдвое больше, чем требуется по теории.
Наконец, оказалось, что спектральные термы щелочных металлов имеют так называемую дублетную структуру, т. е. состоят из двух близко расположенных уровней. Для описания этой структуры трех квантовых чисел n, I , m оказалось недостаточно-потребовалось четвертое квантовое число. Это явилось главным мотивом, послужившим Уленбеку (р. 1900) и Гаудсмиту (1902-1979) в 1925 г. для введения гипотезы о спине электрона. Сущность этой гипотезы состоит в том, что у электрона есть не только момент количества движения и магнитный момент, связанные с перемещением этой частицы как целого. Электрон имеет также собственный или внутренний механический момент количества движения, напоминая в этом отношении классический волчок. Этот собственный момент количества движения и называется спином (от английского слова to spin - вертеться). Соответствующий ему магнитный момент называется спиновым магнитным моментом. Эти моменты обозначаются соответственно через в отличие от орбитальных моментов Спин чаще обозначают просто через s .
В опытах Штерна и Герлаха атомы водорода находились в s-состоянии, т. е. не обладали орбитальными моментами. Магнитный момент ядра пренебрежимо мал. Поэтому Уленбек и Гаудсмит предположили, что расщепление пучка обусловлено не орбитальным, а спиновым магнитным моментом. То же самое относится к опытам с атомами серебра. Атом серебра имеет единственный наружный электрон. Атомный остов ввиду его симметрии спиновым и магнитным моментами не обладает. Весь магнитный момент атома серебра создается только одним наружным электроном. Когда атом находится в нормальном, т. е. s-состоянии, то орбитальный момент валентного электрона равен нулю - весь момент является спиновым.
Сами Уленбек и Гаудсмит предполагали, что спин возникает из-за вращения электрона вокруг собственной оси. Существовавшая в то время модель атома получила еще большее сходство с Солнечной системой. Электроны (планеты) не только вращаются вокруг ядра (Солнца), но и вокруг собственных осей. Однако сразу же выяснилась несостоятельность такого классического представления о спине. Паули систематически ввел спин в квантовую механику, но исключил всякую возможность классического истолкования этой величины. В 1928 г. Дирак показал, что спин электрона автоматически содержится в его теории электрона, основанной на релятивистском волновом уравнении. В теории Дирака содержится также и спиновый магнитный момент электрона, причем для гиромагнитного отношения получается значение, согласующееся с опытом. При этом о внутренней структуре электрона ничего не говорилось - последний рассматривался как точечная частица, обладающая лишь зарядом и массой. Таким образом, спин электрона оказался квантово-релятивистским эффектом, не имеющим классического истолкования. Затем концепция спина, как внутреннего момента количества движения, была распространена на другие элементарные и сложные частицы и нашла подтверждение и широкие применения в современной физике.
Разумеется, в общем курсе физики нет возможности вдаваться в подробную и строгую теорию спина. Мы примем в качестве исходного положения, что спину s соответствует векторный оператор проекции которого удовлетворяют таким же перестановочным соотношениям, что и проекции оператора орбитального момента, т. е.
Из них следует, что определенные значения в одном и том же состоянии могут иметь квадрат полного спина и одна из его проекций на определенную ось (принимаемую обычно за ось Z). Если максимальное значение проекции sz (в единицах ) равно s, то число всех возможных проекций, соответствующих данному s, будет равно 2s + 1. Опыты Штерна и Герлаха показали, что для электрона это число равно 2, т. е. 2s + 1 = 2, откуда s = 1/2. Максимальное значение, которое может принимать проекция спина на избранное направление (в единицах ), т. е. число s, и принимается за значение спина частицы.
Спин частицы может быть либо целым, либо полуцелым. Для электрона, таким образом, спин равен 1/2. Из перестановочных соотношений следует, что квадрат спина частицы равен , а для электрона (в единицах 2).
Измерения проекции магнитного момента по методу Штерна и Герлаха показали, что для атомов водорода и серебра величина равна магнетону Бора , т. е. . Таким образом, гиромагнитное отношение для электрона
Во второй половине девятнадцатого века исследование броуновского (хаотичного) движения молекул вызывало острый интерес у многих физиков-теоретиков того времени. Разработанная шотландским ученым Джеймсом вещества хоть и была общепризнанной в европейских научных кругах, но существовала лишь в гипотетическом виде. Никакого практического ее подтверждения тогда не было. Движение молекул оставалось недоступным непосредственному наблюдению, а измерение их скорости казалась просто неразрешимой научной проблемой.
Именно поэтому эксперименты, способные на практике доказать сам факт молекулярного строения вещества и определить скорость движения его невидимых частиц, изначально воспринимались как фундаментальные. Решающее значение таких экспериментов для физической науки было очевидно, так как позволяло получить практическое обоснование и доказательство справедливости одной из самых прогрессивных теорий того времени - молекулярно-кинетической.
К началу двадцатого столетия мировая наука достигла достаточного уровня развития для появления реальных возможностей экспериментальной проверки теории Максвелла. Немецкий физик Отто Штерн в 1920-м году, применив метод молекулярных пучков, который был изобретен французом Луи Дюнойе в 1911-м году, сумел измерить скорость движения газовых молекул серебра. Опыт Штерна неопровержимо доказал справедливость закона Результаты этого эксперимента подтвердили верность оценки атомов, которая вытекала из гипотетических предположений, сделанных Максвеллом. Правда, о самом характере скоростной градации опыт Штерна смог дать только весьма приблизительные сведения. Более подробной информации науке пришлось ждать еще девять лет.
С большей точностью закон распределения удалось проверить Ламмерту в 1929-м году, несколько усовершенствовавшему опыт Штерна путем пропускания молекулярного пучка сквозь пару вращающихся дисков, имевших радиальные отверстия и смещенных относительно друг друга на определенный угол. Изменяя скорость вращения агрегата и угол между отверстиями, Ламмерт смог выделить из пучка отдельные молекулы, которые обладают различными скоростными показателями. Но именно опыт Штерна положил начало экспериментальным изысканиям в области молекулярно-кинетической теории.
В 1920-м году была создана первая экспериментальная установка, необходимая для проведения экспериментов такого рода. Она состояла из пары цилиндров, сконструированных лично Штерном. Внутрь прибора был помещен тонкий платиновый стержень с серебряным напылением, которое и испарялось при нагревании оси электричеством. В условиях вакуума, которые были созданы внутри установки, узкий пучок атомов серебра проходил свозь продольную щель, прорезанную на поверхности цилиндров, и оседал на специальном внешнем экране. Разумеется, агрегат находился в движении, и за то время, пока атомы достигали поверхности, успевал повернуться на некоторый угол. Таким способом Штерн и определил скорость их движения.
Но это не единственное научное достижение Отто Штерна. Через год он совместно с Вальтером Герлахом провел эксперимент, подтвердивший наличие у атомов спина и доказавший факт их пространственного квантования. Опыт Штерна-Герлаха потребовал создания специальной экспериментальной установки с мощным в ее основе. Под воздействием магнитного поля, генерируемого этим мощным компонентом, отклонялись согласно ориентации их собственного магнитного спина.
В середине XIX века была сформулирована молекулярно-кинетическая теория, но тогда не было никаких доказательств существования самих молекул. Вся теория базировалась на предположении о движении молекул, но как измерить скорость их движения, если они невидимы?
Теоретики первыми нашли выход. Из уравнения молекулярно-кинетической теории газов известно, что
Получена формула для расчета среднеквадратичной скорости, но масса молекулы неизвестна. Запишем по-другому значение υ кв:
 |
(2.1.2) |
А мы знаем, что , тогда
| (2.1.3) |
Где Р – давление; ρ - плотность. Это уже измеряемые величины.
Например, при плотности азота, равной 1,25 кг/м, 3 , при t = 0 °С и P
= 1 атм, скорости молекул азота . Для водорода: 
.
При этом интересно отметить, что скорость звука в газе близка к скорости молекул в этом газе , где γ – коэффициент Пуассона. Это объясняется тем, что звуковые волны переносятся молекулами газа.
Проверка того факта, что атомы и молекулы идеальных газов в термически равновесном пучке имеют различные скорости, была осуществлена немецким физиком Отто Штерном (1888-1969) в 1920 г. Схема его установки приведена на рис. 2.1.
Рис. 2.1
Платиновая нить А
, покрытая снаружи серебром, располагается вдоль оси коаксиальных цилиндров S 1 , S 3
,. Внутри цилиндров поддерживается низкое давление порядка Па. При пропускании тока через платиновую нить она разогревается до температуры выше точки плавления серебра (961,9 °С). Серебро испаряется, и его атомы через узкие щели в цилиндре S 1
, и диафрагме S 2
, летят к охлаждаемой поверхности цилиндра S 1
, на которой они осаждаются. Если цилиндры S 1 , S 3
и диафрагма не вращаются, то пучок осаждается в виде узкой полоски D
на поверхности цилиндра S 3
. Если же вся система приводится во вращение с угловой скоростью 
то изображение щели смещается в точку D´
и становится расплывчатым.
Пусть l – расстояние между D и D´ , измеренное вдоль поверхности цилиндра S 3 , оно равно где – линейная скорость точек поверхности цилиндра S 3 , радиусом R ; - время прохождения атомами серебра расстояния . Таким образом, имеем откуда – можно определить величину скорости теплового движения атомов серебра. Температура нити в опытах Штерна равнялась 1200 °С, что соответствует среднеквадратичной скорости . В эксперименте для этой величины получилось значение от 560 до 640 м/с. Кроме того, изображение щели D´ всегда оказывалось размытым, что указывало на то, что атомы Ag движутся с различными скоростями.
Таким образом, в этом опыте были не только измерены скорости газовых молекул, но и показано, что они имеют большой разброс по скоростям. Причина – в хаотичности теплового движения молекул. Ещё в XIX веке Дж. Максвелл утверждал, что молекулы, беспорядочно сталкиваясь друг с другом, как-то «распределяются» по скоростям, причём вполне определённым образом.
В разделе на вопрос опыт Штерна? расскажите кратко самое главное заданный автором Просыпать
лучший ответ это Опыт Штерна - опыт, впервые проведённый немецким физиком Отто Штерном в 1920 году. Опыт явился одним из первых практических доказательств состоятельности молекулярно-кинетической теории строения вещества. В нём были непосредственно измерены скорости теплового движения молекул и подтверждено наличие распределения молекул газов по скоростям.
Для проведения опыта Штерном был подготовлен прибор, состоящий из двух цилиндров разного радиуса, ось которых совпадала и на ней располагалась платиновая проволока с нанесённым слоем серебра. В пространстве внутри цилиндров посредством непрерывной откачки воздуха поддерживалось достаточно низкое давление. При пропускании электрического тока через проволоку достигалась температура плавления серебра, из-за чего атомы начинали испаряться и летели к внутренней поверхности малого цилиндра равномерно и прямолинейно со скоростью v, соответствующей подаваемому на концы нити напряжению. Во внутреннем цилиндре была проделана узкая щель, через которую атомы могли беспрепятственно пролетать далее. Стенки цилиндров специально охлаждались, что способствовало «оседанию» попадающих на них атомов. В таком состоянии на внутренней поверхности большого цилиндра образовывалась достаточно чёткая узкая полоса серебряного налёта, расположенная прямо напротив щёли малого цилиндра. Затем всю систему начинали вращать с некой достаточно большой угловой скоростью ω. При этом полоса налёта смещалась в сторону, противоположенную направлению вращения, и теряла чёткость. Измерив смещение s наиболее тёмной части полосы от её положения, когда система покоилась, Штерн определил время полёта, через которое нашёл скорость движения молекул:
,
где s - смещение полосы, l - расстояние между цилиндрами, а u - скорость движения точек внешнего цилиндра.
Найденная таким образом скорость движения атомов серебра совпала со скоростью, рассчитанной по законам молекулярно-кинетической теории, а тот факт, что получившаяся полоска была размытой, свидетельствовал в пользу того, что скорости атомов различны и распределены по некоторому закону - закону распределения Максвелла: атомы, двигавшиеся быстрее, смещались относительно полосы, полученной в состоянии покоя, на меньшие расстояния, чем те, которые двигались медленнее
Ключник
Профи
(641)
выбирать надо, а ты что хотел?