Опыт Штерна и Герлаха. Спин электрона. Спиновое квантовое число.

Существование магнитного квантового числа т впервые экспериментально было подтверждено в опыте О. Штерна и В. Герлаха в 1922г. Схема их экспериментальной установки показана на рисунке А - излучающее атомы устройство (маленькая электропечь), в которой вещество нагревается до испарения; D - охлаждаемые диафрагмы, вырезающие узкий пучок атомов; NS - полюса магнита, создающего сильное неоднородное поле; В - пластинка, фиксирующая попадающие на неё атомы.

Если бы магнитные моменты атомов были ориентированы произвольным образом, то после прохождения через неоднородное магнитное поле пучок развернулся бы в веер и на пластинке В возникло бы размытое пятно. Если же магнитные моменты атомов ориентированы только определенным образом, то на пластинке должны были получиться резкие полосы; этот факт должен был подтвердить квантование положения электронных сечений и магнитных моментов относительно вектора магнитного поля и утвердить существование магнитного квантового числа т. При т = 0 пучок атомов должен попадать в центр пластинки В. При m = ± 1 из-за равновероятностного значения т = + 1 и т = - 1 пучок атомов должен был делиться симметрично относительно центрального пучка, т.о. ожидалось деление потока атомов на нечетное число пучков.

Опыты показали, что поток атомов по прохождении неоднородного магнитного ноля расщепляется на несколько пучков, что соответствовало условиям квантования. Таким образом, было подтверждено существование магнитного числа т, однако деление потока атомов в опыте носило более сложный характер. Поток атомов делился обычно на четное число пучков и в два раза превышающее ожидаемое. Например, при т = 0 пучок атомов делился на два хотя деления не ожидалось. Такой результат опыта был объяснен введением четвертого спинового квантового числа.

После постановки и изучения данных опыта, Штерна и Герлаха оказалось, что состояние электрона характеризуется, кроме магнитного и механического моментов движения электрона вокруг ядра, еще и собственным магнитным моментом и собственным механическим моментом , называемым спином (spin - веретено). Величины и квантуются числом s. Однако спиновое движение электрона не следует понимать как вращение вокруг собственной оси. Подобно массе и заряду, спин является первичным, неотъемлемым свойством электрона, не сводящимся к чему-либо более простому. Спин электрона -понятие чисто квантовое и не имеет классических аналогий.

Позднее было показано, что спин имеет не только электрон, но и многие другие элементарные частицы, такие как нейтрон, протон, позитрон, нейтрино, - мезоны, барионы и др. s - спиновое квантовое число электрона. s = ± 1/2 Спиновое квантовое число квантует величины собственных механического и магнитного моментов электрона

(5.58)

(5.59)

Проекции собственного механического и магнитного моментов на направлении внешнего магнитного поля также определяются числом s и равны

(5.60)

Из состояния (5.60) следует физический смысл магнетона Бора. Магнетон Бора – есть проекция собственного магнитного момента электрона на направлении внешнего магнитного поля.