Films documentaires éducatifs. Série "Physique".
La présence de moments magnétiques dans les atomes et leur quantification ont été prouvées par des expériences directes de Stern et Gerlach (1889-1979) en 1921. Un faisceau atomique fortement limité de l'élément étudié a été créé à l'aide de diaphragmes dans un récipient sous vide poussé, s'évaporant dans un four K. Le faisceau a traversé un fort champ magnétique H
entre les pièces polaires N et S de l'électro-aimant. L'une des pointes (N) avait la forme d'un prisme avec une arête vive et une rainure était usinée le long de l'autre (S). Grâce à cette conception des pièces polaires, le champ magnétique s’est avéré très inhomogène. Après avoir traversé le champ magnétique, le faisceau a heurté la plaque photographique P et y a laissé une marque.
Calculons d'abord le comportement d'un faisceau atomique du point de vue classique, en supposant qu'il n'y a pas de quantification des moments magnétiques. Si m est le moment magnétique de l’atome, alors la force agit sur l’atome dans un champ magnétique non uniforme
Dirigons l'axe Z le long du champ magnétique (c'est-à-dire de N à S perpendiculairement aux pièces polaires). Alors la projection de la force dans cette direction sera
Les deux premiers termes de cette expression ne jouent aucun rôle.
En effet, selon les concepts classiques, un atome dans un champ magnétique précession autour de l'axe Z, tournant avec la fréquence de Larmor.
(la charge d'un électron est notée -e). Les projections oscillent donc avec la même fréquence, devenant alternativement positives et négatives. Si la vitesse angulaire de la précession est suffisamment grande, alors la force fz peut être moyennée dans le temps. Dans ce cas, les deux premiers termes de l’expression de fz disparaissent, et on peut écrire
Pour avoir une idée du degré d'admissibilité d'une telle moyenne, faisons une estimation numérique. La période de la précession de Larmor est ,
où le champ H est mesuré en gauss. Par exemple, pour H = 1 000 Gs, nous obtenons s. Si la vitesse des atomes dans le faisceau est = 100 m/s = cm/s, alors pendant ce temps l'atome parcourt une distance cm, ce qui est négligeable par rapport à toutes les dimensions caractéristiques de l'installation. Cela prouve l’applicabilité de la moyenne effectuée.
Mais la formule peut aussi se justifier d’un point de vue quantique. En effet, l’inclusion d’un fort champ magnétique le long de l’axe Z conduit à l’état de l’atome avec une seule composante spécifique du moment magnétique, à savoir . Les deux composants restants dans cet état ne peuvent pas avoir certaines valeurs. Lorsqu'elles sont mesurées dans cet état, différentes valeurs seraient obtenues et, de plus, leurs moyennes seraient égales à zéro. Par conséquent, le calcul d’une moyenne est également justifié dans la considération quantique.
Néanmoins, il faut s’attendre à des résultats expérimentaux différents du point de vue classique et quantique. Dans les expériences de Stern et Gerlach, une trace d'un faisceau atomique a d'abord été obtenue avec le champ magnétique éteint, puis allumé. Si la projection pouvait prendre toutes les valeurs continues possibles, comme l'exige la théorie classique, alors la force fz prendrait également toutes les valeurs continues possibles. L’activation du champ magnétique ne ferait qu’élargir le faisceau. Ce n’est pas ce que l’on pourrait attendre de la théorie quantique. Dans ce cas, la projection mz, et avec elle la force moyenne fz, sont quantifiées, c'est-à-dire qu'elles ne peuvent prendre qu'un certain nombre de valeurs discrètes choisies. Si le nombre quantique orbital d’un atome est je, alors, selon la théorie, la division donnera lieu à des faisceaux (c'est-à-dire qu'elle est égale au nombre de valeurs possibles que le nombre quantique m peut prendre). Ainsi, selon la valeur du nombre je on pourrait s'attendre à ce que le faisceau se divise en 1, 3, 5, ... composants. Le nombre attendu de composants devrait toujours être impair.
Les expériences de Stern et Gerlach ont prouvé la quantification de la projection. Cependant, leurs résultats ne concordent pas toujours avec la théorie exposée ci-dessus. Lors des premières expériences, des faisceaux d’atomes d’argent ont été utilisés. Dans un champ magnétique, le faisceau était divisé en deux composantes. Il en était de même pour les atomes d’hydrogène. Pour les atomes d'autres éléments chimiques, un modèle de division plus complexe a également été obtenu, mais le nombre de faisceaux divisés était non seulement impair, comme l'exigeait la théorie, mais aussi pair, ce qui la contredisait. La théorie devait être corrigée.
A cela il faut ajouter les résultats des expériences d'Einstein et de Haas (1878-1966), ainsi que les expériences de Barnet (1873-1956) pour déterminer le rapport gyromagnétique. Pour le fer, par exemple, il s’est avéré que le rapport gyromagnétique est égal, c’est-à-dire deux fois plus élevé que celui requis par la théorie.
Enfin, il s’est avéré que les termes spectraux des métaux alcalins ont une structure dite en doublet, c’est-à-dire qu’ils sont constitués de deux niveaux étroitement espacés. Pour décrire cette structure de trois nombres quantiques n, je, m s'est avéré insuffisant - un quatrième nombre quantique était nécessaire. C’est la raison principale qui a poussé Uhlenbeck (né en 1900) et Goudsmit (1902-1979) à introduire en 1925 l’hypothèse du spin électronique. L'essence de cette hypothèse est que l'électron n'a pas seulement un moment d'impulsion et un moment magnétique associés au mouvement de cette particule dans son ensemble. L'électron possède également son propre moment cinétique mécanique interne, ressemblant à un sommet classique à cet égard. Ce moment propre de l'élan est appelé spin (du mot anglais to spin - to spin). Le moment magnétique correspondant est appelé moment magnétique de spin. Ces moments sont désignés respectivement par, contrairement aux moments orbitaux. Le spin est plus souvent désigné simplement par s.
Dans les expériences de Stern et Gerlach, les atomes d’hydrogène étaient dans l’état s, c’est-à-dire qu’ils n’avaient pas de moment orbital. Le moment magnétique du noyau est négligeable. Par conséquent, Uhlenbeck et Goudsmit ont supposé que la division du faisceau n'est pas due au moment orbital, mais au moment magnétique de spin. La même chose s'applique aux expériences avec des atomes d'argent. L'atome d'argent possède un seul électron externe. Le noyau atomique, en raison de sa symétrie, ne possède ni spin ni moments magnétiques. L’ensemble du moment magnétique de l’atome d’argent est créé par un seul électron externe. Lorsque l'atome est dans l'état normal, c'est-à-dire l'état s, alors l'impulsion orbitale de l'électron de valence est nulle - l'impulsion entière est un spin.
Uhlenbeck et Goudsmit eux-mêmes ont supposé que le spin résulte de la rotation d'un électron autour de son propre axe. Le modèle de l’atome qui existait à cette époque est devenu encore plus similaire au système solaire. Les électrons (planètes) tournent non seulement autour du noyau (le Soleil), mais aussi autour de leurs propres axes. Cependant, l'incohérence d'une idée aussi classique du spin est immédiatement devenue évidente. Pauli a systématiquement introduit le spin dans la mécanique quantique, mais a exclu toute possibilité d'interprétation classique de cette quantité. En 1928, Dirac montra que le spin de l’électron est automatiquement contenu dans sa théorie de l’électron basée sur l’équation d’onde relativiste. La théorie de Dirac contient également le moment magnétique de spin de l'électron, et pour le rapport gyromagnétique, on obtient une valeur qui est en accord avec l'expérience. Dans le même temps, rien n'était dit sur la structure interne de l'électron - ce dernier était considéré comme une particule ponctuelle avec seulement une charge et une masse. Ainsi, le spin électronique s’est avéré être un effet quantique-relativiste qui n’a pas d’interprétation classique. Ensuite, le concept de spin, en tant que moment cinétique interne, a été étendu à d'autres particules élémentaires et complexes et a trouvé une confirmation et de larges applications dans la physique moderne.
Bien entendu, dans un cours général de physique, il n’est pas possible d’entrer dans une théorie détaillée et rigoureuse du spin. On part du principe que le spin s correspond à un opérateur vectoriel dont les projections satisfont aux mêmes relations de permutation que les projections de l'opérateur moment orbital, c'est-à-dire
Il en résulte que certaines valeurs dans le même état peuvent avoir le carré du spin total et l'une de ses projections sur un certain axe (généralement pris comme axe Z). Si la valeur maximale de la projection sz (en unités) est s, alors le nombre de toutes les projections possibles correspondant à un s donné sera 2s + 1. Les expériences de Stern et Gerlach ont montré que pour un électron ce nombre est 2, c'est-à-dire 2s + 1 = 2, d'où s = 1/2. La valeur maximale que peut prendre la projection du spin sur la direction choisie (en unités de ), c'est-à-dire le nombre s, est prise comme valeur du spin de la particule.
Le spin d’une particule peut être entier ou demi-entier. Pour un électron, le spin est donc 1/2. Il résulte des relations de permutation que le carré du spin d'une particule est , et pour un électron (en unités de 2).
Les mesures de projection du moment magnétique par la méthode de Stern et Gerlach ont montré que pour les atomes d'hydrogène et d'argent, la valeur est égale au magnéton de Bohr, c'est-à-dire . Ainsi, le rapport gyromagnétique d'un électron
Dans la seconde moitié du XIXe siècle, l’étude du mouvement brownien (chaotique) des molécules a suscité un vif intérêt parmi de nombreux physiciens théoriciens de l’époque. Bien que la substance développée par le scientifique écossais James soit généralement reconnue dans les cercles scientifiques européens, elle n’existait que sous une forme hypothétique. Il n’y avait alors aucune confirmation pratique. Le mouvement des molécules restait inaccessible à l'observation directe, et la mesure de leur vitesse semblait simplement un problème scientifique insoluble.
C'est pourquoi les expériences capables de prouver concrètement la structure moléculaire de la matière et de déterminer la vitesse de déplacement de ses particules invisibles ont été initialement perçues comme fondamentales. L'importance décisive de telles expériences pour la science physique était évidente, puisqu'elles permettaient d'obtenir une justification pratique et une preuve de la validité de l'une des théories les plus progressistes de l'époque - la théorie de la cinétique moléculaire.
Au début du XXe siècle, la science mondiale avait atteint un niveau de développement suffisant pour que de réelles opportunités de vérification expérimentale de la théorie de Maxwell apparaissent. Le physicien allemand Otto Stern, en 1920, en utilisant la méthode des faisceaux moléculaires, inventée par le Français Louis Dunoyer en 1911, a pu mesurer la vitesse de déplacement des molécules de gaz d'argent. L'expérience de Stern a prouvé de manière irréfutable la validité de la loi. Les résultats de cette expérience ont confirmé l'exactitude de l'estimation des atomes, qui découlait des hypothèses hypothétiques formulées par Maxwell. Il est vrai que l'expérience de Stern n'a pu donner que des informations très approximatives sur la nature même de la gradation des vitesses. La science a dû attendre encore neuf ans pour obtenir des informations plus détaillées.
Lammert a pu vérifier la loi de distribution avec une plus grande précision en 1929, qui a quelque peu amélioré l'expérience de Stern en faisant passer un faisceau moléculaire à travers une paire de disques rotatifs comportant des trous radiaux et décalés l'un par rapport à l'autre d'un certain angle. En modifiant la vitesse de rotation de l'agrégat et l'angle entre les trous, Lammert a pu isoler du faisceau des molécules individuelles qui ont des indicateurs de vitesse différents. Mais c'est l'expérience de Stern qui a jeté les bases de la recherche expérimentale dans le domaine de la théorie de la cinétique moléculaire.
En 1920, le premier dispositif expérimental nécessaire à la réalisation d’expériences de ce type est créé. Il s'agissait d'une paire de cylindres conçus personnellement par Stern. Une fine tige de platine recouverte d'argent a été placée à l'intérieur de l'appareil, qui s'est évaporée lorsque l'axe a été chauffé à l'électricité. Dans des conditions de vide créées à l'intérieur de l'installation, un faisceau étroit d'atomes d'argent traversait une fente longitudinale découpée à la surface des cylindres et se posait sur un écran externe spécial. Bien sûr, l’unité était en mouvement et, pendant que les atomes atteignaient la surface, elle parvenait à tourner d’un certain angle. De cette façon, Stern déterminait la vitesse de leur mouvement.
Mais ce n’est pas la seule réalisation scientifique d’Otto Stern. Un an plus tard, avec Walter Gerlach, il mène une expérience qui confirme la présence de spin dans les atomes et prouve le fait de leur quantification spatiale. L’expérience Stern-Gerlach a nécessité la création d’un dispositif expérimental spécial, doté d’un dispositif puissant en son sein. Sous l’influence du champ magnétique généré par ce puissant composant, ils s’écartaient selon l’orientation de leur propre spin magnétique.
Au milieu du XIXe siècle, la théorie de la cinétique moléculaire a été formulée, mais il n'existait alors aucune preuve de l'existence des molécules elles-mêmes. Toute la théorie reposait sur l'hypothèse du mouvement des molécules, mais comment mesurer la vitesse de leur mouvement si elles sont invisibles ?
Les théoriciens ont été les premiers à trouver une issue. D’après l’équation de la théorie cinétique moléculaire des gaz, on sait que
Une formule a été obtenue pour calculer la vitesse quadratique moyenne, mais la masse de la molécule est inconnue. Écrivons différemment la valeur de υ carré :
 |
(2.1.2) |
Et nous le savons alors
| (2.1.3) |
Où R.- pression; ρ - densité. Ce sont des quantités mesurables.
Par exemple, à une densité d'azote de 1,25 kg/m3, à t = 0 °C et P.\u003d 1 atm, la vitesse des molécules d'azote. Pour l'hydrogène : 
.
Il est intéressant de noter que la vitesse du son dans un gaz est proche de la vitesse des molécules dans ce gaz, où γ - Coefficient de Poisson. En effet, les ondes sonores sont transportées par des molécules de gaz.
La vérification du fait que les atomes et les molécules de gaz parfaits dans un faisceau en équilibre thermique ont des vitesses différentes a été réalisée par le physicien allemand Otto Stern (1888-1969) en 1920. Le schéma de son installation est illustré à la fig. 2.1.
Riz. 2.1
Fil de platine UN, recouvert à l'extérieur d'argent, est situé le long de l'axe des cylindres coaxiaux S1, S3,. A l'intérieur des cylindres, une basse pression de l'ordre du Pa est maintenue. Lorsque le courant passe à travers un fil de platine, il est chauffé à une température supérieure au point de fusion de l'argent (961,9°C). L'argent s'évapore et ses atomes traversent des fentes étroites dans le cylindre S1, et le diaphragme S2, voler vers la surface refroidie du cylindre S1 sur lequel ils s'installent. Si les cylindres S1, S3 et le diaphragme ne tourne pas, alors le faisceau est déposé sous la forme d'une bande étroite Dà la surface du cylindre S3. Si l'ensemble du système tourne avec une vitesse angulaire 
puis l'image de la fente se déplace vers un point D et devient flou.
Laisser je- distance entre D Et D, mesuré le long de la surface du cylindre S3, elle est égale à où est la vitesse linéaire des points à la surface du cylindre S3, rayon R.; est le temps qu'il faut aux atomes d'argent pour parcourir la distance. Ainsi, nous savons d'où il est possible de déterminer la valeur de la vitesse de mouvement thermique des atomes d'argent. La température du filament dans les expériences de Stern était de 1 200 °C, ce qui correspond à la vitesse quadratique moyenne. Dans l'expérience, pour cette valeur, une valeur de 560 à 640 m/s a été obtenue. De plus, l'image de fente D s'est toujours avéré flou, ce qui indiquait que les atomes d'Ag se déplaçaient à des vitesses différentes.
Ainsi, dans cette expérience, non seulement les vitesses des molécules de gaz ont été mesurées, mais il a également été démontré qu'elles présentaient un large éventail de vitesses. La raison en est le caractère aléatoire du mouvement thermique des molécules. Au XIXe siècle, J. Maxwell affirmait que les molécules, entrant en collision les unes avec les autres de manière aléatoire, étaient en quelque sorte « réparties » en vitesse, et d'une manière très précise.
Dans la section sur la question de l'expérience de Stern ? raconter brièvement la chose la plus importante donnée par l'auteur réveillez-vous la meilleure réponse est L'expérience Stern est une expérience réalisée pour la première fois par le physicien allemand Otto Stern en 1920. L'expérience fut l'une des premières preuves pratiques de la cohérence de la théorie cinétique moléculaire de la structure de la matière. Dans celui-ci, les vitesses du mouvement thermique des molécules ont été directement mesurées et la présence d'une répartition des molécules de gaz par vitesses a été confirmée.
Pour l'expérience, Stern a préparé un dispositif composé de deux cylindres de rayons différents, dont l'axe coïncidait et sur lequel se trouvait un fil de platine sur lequel était déposée une couche d'argent. Dans l'espace à l'intérieur des cylindres, une pression suffisamment basse était maintenue par un pompage continu de l'air. Lorsqu'un courant électrique traversait le fil, la température de fusion de l'argent était atteinte, grâce à laquelle les atomes commençaient à s'évaporer et volaient vers la surface interne du petit cylindre de manière uniforme et rectiligne à une vitesse v correspondant à la tension appliquée au fil. extrémités du fil. Une fente étroite a été pratiquée dans le cylindre intérieur, à travers laquelle les atomes pouvaient voler librement plus loin. Les parois des cylindres étaient spécialement refroidies, ce qui contribuait au « tassement » des atomes tombant dessus. Dans cet état, sur la surface intérieure du grand cylindre, une bande étroite assez distincte de plaque d'argent s'est formée, située juste en face de la fente du petit cylindre. Ensuite, l’ensemble du système a commencé à tourner avec une certaine vitesse angulaire ω suffisamment grande. Dans ce cas, la bande de raid s'est déplacée dans le sens opposé au sens de rotation et a perdu sa clarté. En mesurant le déplacement s de la partie la plus sombre de la bande par rapport à sa position lorsque le système était au repos, Stern a déterminé le temps de vol, après quoi il a trouvé la vitesse des molécules :
,
où s est le déplacement de la bande, l est la distance entre les cylindres et u est la vitesse de déplacement des points du cylindre extérieur.
La vitesse de déplacement des atomes d'argent ainsi trouvés coïncidait avec la vitesse calculée selon les lois de la théorie de la cinétique moléculaire, et le fait que la bande résultante était floue témoignait en faveur du fait que les vitesses des atomes sont différentes et réparties selon à une loi - la loi de distribution de Maxwell : les atomes, ceux qui se déplaçaient plus rapidement, étaient déplacés par rapport à la voie obtenue au repos sur des distances plus courtes que ceux qui se déplaçaient plus lentement
gardien des clés
Pro
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