Stern-Gerlach: Eksperyment, który Wymusił Na Siebie Spin

1922: strumień, który powinien był rozszerzyć się

W Frankfurtu w 1922 roku Otto Stern i Walther Gerlach wysłali strumień atomów srebra neutralnych, które zanikły z pieca i skoncentrowane zostały do cienkiego strumienia, przez silny, świadomie niejednorodny pol pole magnetyczne, a następnie pozwolili im spadnąć na płytę detektorową zasłoniętą szkłem. Ekstrapolejmy, że elektron zewnętrzny atomu srebra znajduje się w orbitali 5s z momentem angularnym orbitalnym równym zero, dlatego cała chwilowa energia magnetyczna atomu pochodzi tylko z momentem kątowym intrynskim tego elektronu — choć sam termin „spin” nie istniał jeszcze w 1922 roku. Klasycznie, jeśli atom ma moment magnetyczny skierowany w jakąś stronę, siła, którą odczuwa w polu gradientu zależy ciągle od orientacji tego momentu, więc strumień atomów z losowo orientowanymi momentami powinien prosto rozszerzyć się na kontynuum pasma na ekranie, od maksymalnej defekcji w jednym kierunku do maksymalnej defekcji w drugim.

Co Stern i Gerlach rzeczywiście zauważyli

Zamiast tego strumień rozdzielił się prosto na dwa osobne punkty, z podstawowym brakiem czegoś między nimi — bezpośrednie dowody na to, że składowa momentu magnetycznego wzdłuż osi pola przyjmuje tylko dwie możliwe wartości, a nie ciągłość. To jest quantyzacja przestrzennej: kąt obrotu atomu, gdy mierzony jest w dowolnym wybranym kierunku, jest ograniczony do zestawu dyskretnego wyników. W chwili, gdy rezultat ten był interpretowany jako potwierdzenie predykcji modelu Bohra-Sommerfelda dotyczącej quantyzacji orientacji orbity; dopiero po wprowadzeniu przez Samuel Goudsmita i George'a Uhlenbecka spinu elektronów w 1925 roku fizycy zrozumieli, że dwuczłonowość rzeczywiście wynikała z spinu, a nie ruchu orbitalnego — słynny przypadek eksperymentu landmakowego, którego pełna interpretacja dotarła dopiero po samym experimentie.

F_z = μ_z · (∂B_z / ∂z)      (force along the field-gradient axis)

μ_z = ± μ_B                   (only two allowed values, spin-1/2 valence electron)
μ_B = the Bohr magneton

Obecna perspektywa: pomiary systemu dwustatkowego

W obecnej perspektywie, moment magnetyczny srebra pochodzi z spinu elektronu zewnętrznego 5s, a kwantowo komponent tego spinu w dowolnym wybranym osi (oznaczmy ją jako z, ustawioną na kierunek pola magnetycznego) może być pomiarowany tylko jako +ħ/2 lub −ħ/2 — nigdy nie coś między tymi wartościami. Przed wejściem do aparatu, spin atoma jest w ogólności superpozycją „w górę” i „w dół” wzdłuż tej osi; nierównomirowe pole koreluje stopień swobodny spinu z trajektorią atoma, odchylijąc atomy o spinie w górę w jedną stronę a atomy o spinie w dół w drugą, a uderzenie na ekran działa jako pomiary, która sortuje każdy atom dokładnie do jednego z dwóch strumieni. Stała się standardowym przykładem podręcznika szkolnego wprowadzającym w pojęcie pomiaru kwantowego i systemów dwustatkowych.

Sekwencyjny eksperyment Stern-Gerlacha: niekompatybilne obserwowalne

Klasyczna rozszerzenie nauczania przepuszcza atomy przez drugi magnes położony pod innym kątem. Przypuśćmy, że strumień atomów jest już filtryowany do „spinu w górę wzdłuż osi z” i przepuszczamy go przez magnes położony wzdłuż osi x: teraz ponownie dzieli się na dwie części 50/50, jakby wcześniejsza mierzenie spinu wzdłuż osi z nigdy nie nastąpiła. Ponownie przepuszczamy ten strumień atomów „w górę wzdłuż x” przez magnes położony wzdłuż osi z, i ponownie dzieli się 50/50 na spin w górę i w dół wzdłuż osi z — wcześniejsze mierzenie wzdłuż osi x całkowicie usunęło wcześniejszą informację o spinie wzdłuż osi z. Ta jasna demonstracja niekompatybilnych, niewspartych obserwowalnych bez żadnych złożoności związanej z difracją fal dwojkrotnej szczeliny jest teraz standardowym wprowadzeniem do kwantowych qubitów o spinie 1/2 w każdym kursie mechaniki kwantowej i komputerów kwantowych.

Dlaczego to ważne poza spinem

Stern otrzymał w 1943 roku Nobla za Fizykę głównie ze względu na wyniki eksperymentu Stern-Gerlacha i jego bardziej szeroką rozwinięcie metody bariery molekularnej, która stała się podstawowym narzędziem fizyki atomowej i molekularnej — w końcu prowadząc do rozwoju masera, laseru oraz zegarów atomicznych. Dzisiaj prawdziwe dziedzictwo tego eksperymentu jest pedagogiczne równie wiele jak historyczne: to najprostsza fizyczna systema pozwalająca wprowadzić formalizm pomiaru kwantowego, superpozycji i układów dwuelementowych, które stanowią podstawę całej teorii kwbitów.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Stern-Gerlach Experiment — Spin Quantisation i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.