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    近代斯特恩-蓋拉赫實驗過程回顧

    時間:2016-11-05 來源:未知 作者:原來是喵 本文字數:10105字
      本文的目的就是通過全面調研、整理、挖掘相關文獻,期望站在20 世紀初的歷史背景下,就實驗背景、實驗目的、實驗原理、實驗結果,去盡量全面、真實、系統的還原斯特恩- 蓋拉赫實驗,著重理清這個實驗與電子自旋及角動量空間取向量子化等概念的關系,以期對于這個重要物理實驗的價值得到更深刻的認識。大家在相關論文寫作時,可以參考這篇題目為“近代斯特恩-蓋拉赫實驗過程回顧”的物理史論文
      
    近代斯特恩-蓋拉赫實驗過程回顧

      原標題:斯特恩 -蓋拉赫實驗歷史概述
      
      摘要:斯特恩 -蓋拉赫實驗在近代物理實驗中的地位舉足輕重。 就實驗方法而言,其核心部分分子束方法影響了后世許多重要的物理實驗。 就量子力學的基本原理而言,它既是量子態制備的范例,又是一些量子測量的成功典例。 通過對大量相關文獻的調研和挖掘,立足于物理原理與史料相結合的研究方法,期望盡量真實地還原斯特恩 -蓋拉赫實驗的歷史事實,著重理清該實驗與電子自旋、角動量空間取向量子化這兩個概念之間的關系。
      
      關鍵詞:斯特恩 -蓋拉赫實驗;角動量空間取向量子化;電子自旋
      
      斯特恩 -蓋拉赫實驗是近代物理學史上最有價值的實驗之一。1943 年,斯特恩因發展分子束方法所作的貢獻和發現質子磁矩獲得諾貝爾物理學獎,而這個實驗功不可沒。 在實驗方法上,其核心部分分子束方法在后世得到了世界性的傳揚和發展,并且引導了一系列其他重要的物理實驗。 在實驗原理上,其簡潔直觀地證明了銀原子角動量在磁場中具有空間量子化取向。斯特恩- 蓋拉赫實驗最初的實驗構想,是建立在拉莫爾進動經典理論和玻爾 -索末菲舊量子理論相結合的基礎上,但是實驗結果卻為新量子理論的發展提供了理論引導---肯定了物理世界從經典理論向量子理論發展的正確性。
      
      此外,斯特恩- 蓋拉赫實驗是近代物理學史上最有趣的實驗之一,但是其富有戲劇性和啟迪性的科學探索過程卻鮮為人知,現在的許多文獻對于 實 驗 本 身 的 認 識 甚 至 存 在 著 以 訛 傳 訛 的敷衍。
      
      本文的目的就是通過全面調研、整理、挖掘相關文獻,期望站在20 世紀初的歷史背景下,就實驗背景、實驗目的、實驗原理、實驗結果,去盡量全面、真實、系統的還原斯特恩- 蓋拉赫實驗,著重理清這個實驗與電子自旋及角動量空間取向量子化等概念的關系,以期對于這個重要物理實驗的價值得到更深刻的認識。
      
      1 實驗背景
      
      1. 1 空間量子化的提出1911 年5 月,盧瑟福 (E. Rutherford)在英國倫敦的《哲學雜志》上提出了他的原子核式模型[1],成功解釋了 α粒子的大角度散射問題。但原子核式模型的提出卻帶來了新的問題,其中之一就是原子塌縮。按照經典理論,電子繞核做加速運動,將以電磁波的形式向外輻射能量,最終會掉進原子核。 但盧瑟福的原子核式模型卻給當時正在英國曼徹斯特大學的尼爾斯·玻爾(Niels Bohr)留下了深刻的印象。玻爾將普朗克(M. Planck)在 1900 年提出的量子論與盧瑟福的原子核式模型結合,在1913 年3 月發表了關于氫原子理論的文章。玻爾氫原子理論中提到了3 個假設:定態假設,躍遷假設和軌道角動量量子化條件[1]. 3 個假設的提出建立了玻爾模型。 玻爾模型假設電子繞原子核在特定的軌道做圓周運動,電子從一個軌道躍遷到另一軌道時需要吸收或輻射相應的能量。圓周的大小與主量子數n 有關,即定義了第一個量子數。
      
      1916 年,阿諾德·索末菲 (Arnold Sommerfeld)在企圖用玻爾模型解釋塞曼效應時,因受到“開普勒橢圓”啟發將波爾提出的圓形軌道推廣到橢圓軌道模型。為了描述氫原子在外加電磁場作用下的行徑而提了空間量子化的概念,指出電子繞原子核運動時,量子化不僅與軌道自身“大小”、“形狀”有關,還應與軌道空間位置有關,提出方位量子數nφ[2].索末菲認為:“原子中電子的軌道只能假設在空間取某些分立的方向。 例如,在沿 z 方向有外磁場的情況下,電子軌道的法線與磁場方向所夾的角θ 只能取下列值:cos θ = n1/ nφ。 其中,n1是一整數,其絕對值只能小于或等于方位量子數 nφ,如果 nφ= 1 ,則n1= ± 1,0,于是
      
      公式1
    電子在磁場中的運動
      
      即電子軌道的法線只能取 3個方向:平行、反平行和垂直于磁場”[3]. (結合文獻[2],可以推出nφ對應為量子力學中軌道角動量量子數 l,n1對應為磁量子數 ml),于是按照索末菲的空間量子論,碰巧能解釋正常塞曼效應中鈉原子(類氫原子) 光譜線一分為三的現象。早在1896 年,荷蘭物理學家塞曼在實驗中觀察鈉火焰,發現在磁場中其光譜線有增寬的現象。 經仔細觀察,這種增寬現象實際上是因為鈉原子的光譜線發生了分裂,而不是譜線的增寬。 在外磁場的作用下,鈉光譜線1 條分裂成3 條。 這種現象被稱為正常塞曼效應。應用索末菲的理論假設恰好能解釋光譜線為什么會分裂成 3條。 但空間量子論的假設對于解釋 1897 年12 月由普雷斯頓發現的反常塞曼效應卻無能為力,無法給出合理的解釋。 普雷斯頓在很多實驗中觀察到光譜線有時并非分裂成 3條,而且分裂花樣復雜,間距不一,這種現象被稱為反常塞曼效應。 這似乎又給空間量子化理論的正確性提出了新的質疑。
      
      雖然玻爾與索末菲都認為,將氫原子的空間量子化假設用到準行星電子軌道模型時,電子的軌道在外磁場中應該只有某些確定的離散空間取向。但在 1918 年,玻爾在索末菲的空間量子化基礎上又指出“n1= 0 應是禁戒的,因為電子軌道的平面如包含磁場方向,電子的運動會不穩定”[3]. 索末菲和玻爾對于空間量子化的假設在統一中又有了分歧,在相互借鑒與發展的基礎上形成我們后來所說的玻爾 -索末菲理論。
      
      所以對于空間量子化是否真實存在、微觀機理如何作用,還是無法給出令人信服的解釋,這使得當時物理界的先哲們大為惱火。 因此有人甚至說空間量子化不可能存在。 德拜(Peter Debye)就曾向蓋拉赫(Walther Gerlach)表明過,“你真的不必要相信空間量子化是真的存在的,它僅僅只是一種電子時間表的計算方法”[4];馬克斯·玻恩(Max Born) 也說過,“我一直都認為空間量子化是對一些無法解釋的事物一種象征性的表述”[4]. 針對這些疑問和爭論---空間量子化的假設是否合理以及空間量子化的事實是否存在---都迫切需要一個實驗去給予檢驗。
      
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