L'expérience Stern Gerlach

L'expérience de Stern et Gerlach 

1.3.1 Description de l'expérience

En 1922, Stern et Gerlach a fait une expérience avec l'intention de vérifier le modèle Bohr- Sommerfeld de l'atome en mesurant les états quantiques de moment angulaire. Selon la théorie de Sommerfeld , le mouvement des électrons autour de noyau génère un moment magnétique lié à l'instant angulaire .
Dans la théorie de Bohr Sommerfeld le mouvement orbital peut prendre que des valeurs discrètes , de sorte que la direction du vecteur a été limité à seulement un nombre limité de possibilités, et cela pourrait être testé en utilisant le fait qu'un électron en orbite va générer un champ magnétique instant proportionnelle à la quantité de mouvement angulaire orbital. Bien sûr, dans l'atome non seulement électrons ont un spin . Les éléments du noyau sont également . Mais protons et les neutrons sont beaucoup plus lourds que les électrons (environ 1836 fois ) , et le moment de dipôle magnétique est inversement proportionnelle à la masse . Ainsi, la contribution du proton et du moment dipolaire magnétique de neutrons à l'atome de mouvement totale est plus faible comparativement à contribution électrons .
Les atomes d'argent provenant de la source , ce qui était un four avec de l'argent bouillante, ont été évaporés et passent par des diapositives minces afin d'obtenir un faisceau plat d'atomes .
Le champ magnétique inhomogène répartit les atomes d'argent le long de la direction du champ inhomogène , et ces modifications sont détectées sur un écran ( figure 1.4). Un fractionnement du faisceau , en deux parties, l'une au-dessus et au-dessous du faisceau d'origine a été observée. La géométrie de l'aimant de Stern- Gerlach est telle que l'inhomogénéité est dans une seule direction ( Bz varie en fonction de z ) , mais est essentiellement indépendant de x et y .

1.4 dispositifs Gerlach Stern Figure

Expériences ultérieures avec d'autres éléments ayant approximativement la même configuration électronique ( un atome d'hydrogène , le potassium , le cuivre , l'or , du sodium , etc ) menées à des résultats similaires .
En l'absence de champ magnétique , la trajectoire des atomes est une ligne droite et une tache est formée sur l'écran. En présence d' un champ magnétique d'une séparation de ceux-ci en un point , la forme de la forme de l'oeil " est observé . Dans de nombreux livres le résultat est présenté comme deux lignes parallèles mais c'est incorrect .

1.3.2 interprétation actuelle

L'expérience a réfuté les attentes de la théorie de Bohr Sommerfeld , selon quantique de spin introduit par Sommerfeld trois éléments doivent apparaître sur l'écran, et ce n'est pas arrivé.
L'idée de spin de l'électron a été proposé plus tard ( 1925) par Uhlembec et Goudsmith et les résultats des expériences ont été adaptés pour être expliqué en conformité avec un spin de l'électron instant . Selon mécanique quantique de l'atome d'argent pose un électron sur un dernier obus dans 4D .
Dans les atomes , les électrons internes sont situés de telle façon que dans la paire d'électrons chaque y en a un de la rotation vers le haut et une vers le bas de la tour ainsi de suite pour un obus rempli toute la rotation d'une telle paire est égale à zéro .
L'électron restant sur l'enveloppe extérieure dans la possession de l' atome d'argent un de spin qui n'est pas compensé par d'autres électrons. Selon la mécanique quantique pour ce moment magnétique orbital électron non apparié est égal à zéro , et le moment magnétique de l' atome d'argent à cause de cet électron externe est donc imputable uniquement à son tour.
La composante z du moment angulaire de spin est Gerlach002 où le nombre quantique magnétique de spin est de ± 1/2 .
Lorsque le spin de l'électron est égale 1 /2 l'atome est retirée et lorsque le spin est égal -1 / 2 l'atome est tiré po Ainsi pendant le passage à travers le champ magnétique non homogène du faisceau d'atomes d'argent, subit une séparation en deux faisceaux .

1.3.3 , Classique " interprétation proposée

Dans une image classique de l'atome, l'électron a une orbite définitive autour du noyau. Comme il sera présenté dans le prochain chapitre de la structure atomique d'un électron se déplaçant autour du manifeste de noyau deux momentum angulaire différente manière correspondante et deux moments magnétiques différents .
La rotation de l'électron autour de son axe de symétrie produire un élan angulaire de spin et de manière correspondante à cela, il est aussi un moment magnétique de spin . De la même manière le mouvement des électrons autour de noyau sur une orbite peut être caractérisée par moment angulaire orbital et manière correspondante à cela, il ya un moment magnétique orbital.
Entre le moment cinétique et moment magnétique correspondant , nous avons une relation du type suivant :

 ( 1,17 )

Dans le même temps (basé sur des données réelles !) Les valeurs de mouvement de spin ( moment magnétique et deux moments angulaires ) sont censés être plus petite que les valeurs correspondantes pour le mouvement orbital.
La composition de moments magnétiques pour le même électron suit les règles classiques de vecteurs donc il ya :

 ( 1,18 )
où mL , Ms représente l'orbitale et de spin moments magnétiques .
En raison des dispositions des électrons dans les atomes , les paires, dans chaque paire d'électrons il ya compensation moments magnétiques au total , donc , la contribution de la coque intérieure au moment magnétique atomique est égale à zéro .

Pour l'argent avec un électron non apparié , le moment magnétique des atomes est donnée par le moment magnétique total de l' électron de la couche externe ( 1,18 ) . Le moment magnétique du noyau est négligeable.
Grâce à des mouvements thermiques aléatoires dans le four, les magnétiques moment dipolaire vecteurs des atomes d'argent évaporé seront orientés de manière aléatoire dans l'espace. Lorsque ces atomes entrent dans le champ magnétique inhomogène le moment magnétique des atomes et correspondant élan angulaire peuvent pointer dans n'importe quelle direction dans l'espace à trois dimensions , mais rapporté à la direction du champ magnétique inhomogène (Bz ), il est possible que deux orientations avec différents angles ( fig . 1.5) . Ainsi, un atome d' argent peuvent entrer dans le champ magnétique avec le moment magnétique orienté dans le même sens ou en sens inverse rapporté au champ magnétique externe. Entre moments magnétiques atomiques et la direction du champ externe d'une distribution uniforme des angles d'attaque ( α ) est possible. Un petit nombre insignifiant d'atomes évaporés peut aussi avoir un , perpendiculaire " orientation des moments magnétiques liés à la Bz.

Le champ magnétique externe aura deux effets sur le dipôle atomique magnétique. En premier lieu, le champ magnétique va exercer un couple sur le dipôle magnétique , afin d'aligner le moment magnétique à la direction du champ , de sorte que le vecteur de moment magnétique précession autour de la direction du champ magnétique (fig. 1.6 ) . Le champ magnétique extérieur ne peut pas aligner les moments magnétiques atomiques sur la direction z en raison de la liaison entre le moment magnétique d'électrons et de moment cinétique et de son comportement gyroscopique ; de sorte que les moments magnétiques vont exécuter une précession dans un plan xy . En second lieu, et surtout ici , la non-uniformité du champ dans la direction z va produire une force agissant sur ​​le dipôle magnétique ; l'expression de la force est donnée par
  ( 1,20 )
où  ( 1,21 ) est l'énergie potentielle de l'atome d' argent dans le champ magnétique .

Différentes orientations du vecteur moment magnétique μ mèneront à différentes valeurs de μz , qui à leur tour signifiera qu'il y aura un forces agissant sur les atomes qui diffèrent en fonction de la valeur de μz .
Ainsi, la flexion de l'électron sur l'écran est la suivante:
  ( 1,21 )
où L est la distance entre l'aimant et l'écran, v est la vitesse d'atomes calculés selon Maxwell la distribution de Boltzman .
Pour des moments atomiques orientées jusqu'à l'accélération homogène de produits de champ magnétique dans la direction en place , en plus de la précession dans le plan xy. Par conséquent, nous aurons un faisceau d'atomes avec la moitié de l'intensité du faisceau initial qui est dévié vers le haut.
Pour des moments atomiques orienté vers le bas , nous aurons une déviation dans la partie en bas de l'écran par rapport à la position du faisceau en l'absence d'un champ magnétique , et l'intensité du fascicule est encore la moitié de l'intensité du fascicule de l'incident.
Dans le premier cas, les atomes sont forcés de se déplacer vers le haut dans le champ magnétique et dans le second cas l'atome se déplace vers le bas.
Le mouvement des atomes dans l'expérience SG peut être décrite en termes de physique classique étant un mouvement composé raison de l'accélération le long de l'axe z ( sens positif ou négatif ) et un mouvement de précession du moment où atomique dans le plan xy

Gerlach008
Figure 1.5 magnétiques orientations moment de champ magnétique extérieur

La forme de forme d'oeil d'atomes de dispersion sur l'écran est due à :
- la valeur différente de la force agissant sur les moments magnétiques des atomes - angle d'attaque ;
- la forme du fascicule ( glissière horizontale )
- la forme d' aimant.
Utilisation de l' expérience de Stern Gerlach pour les atomes , nous pouvons mesurer le moment magnétique total d'un électron d' enveloppe extérieure. Dans le cas d' un atome d'hydrogène qui représente un seul électron , en utilisant cette expérience, on peut mesurer le moment magnétique d' un électron qui est liée au moment cinétique total de noyau autour d'électrons .

Figure 1.6 précession du moment magnétique autour champ magnétique externe