سالروز تولد والتر گرلاخ

وی این آزمایش را با همکاری اتو اشترن انجام داد و از این رو نام هر دو بر این آزمایش گذاشته شده است. اشترن نیز از دانشمندان فیزیکدان آلمانی و برنده جایزه نوبل فیزیک(در سال 1943) بود که یک سال از گرلاخ بزرگتر بود و ده سال زودتر از همکارش و در 17اوت 1969 درگذشت. اتو اشترن و والتر گرلاخ سال ۱۹۲۲ در دانشگاه فرانکفورت آزمایشی ابداع کردند تا ببینند که آیا ذرات تکانه زاویه‌ای ذاتی دارند یا نه. در یک سیستم کلاسیکی مانند زمین که به دور خورشید می‌گردد، زمین دارای تکانه زاویه‌ای است که هم به خاطر چرخش زمین به دور خورشید و هم به خاطر چرخش زمین به دور محور خود است. اگر الکترون مانند یک دوقطبی کلاسیک باشد که به دور محور خود می‌چرخد، در یک میدان مغناطیسی به خاطر گشتاور ناشی از میدان به دور راستای میدان می‌چرخد. اگر ذره در یک میدان مغناطیسی یکنواخت باشد، نیروی وارد بر دو سوی دوقطبی یکدیگر را خنثی می‌کنند و مسیر ذره راست می‌ماند. اما اگر ذره در یک میدان مغناطیسی نایکنواخت باشد، نیروی وارد بر یک سوی دوقطبی کمی بیشتر از سوی دیگر است و نیروی خالصی به آن وارد می‌شود.

این نیرو ذره را در یک جهت منحرف می‌کند. اگر ذره‌های آزمایش، ذرات چرخان کلاسیک باشند، سوی بردار تکانه زاویه‌ای آن‌ها تصادفی خواهد بود. از همین رو، هر ذره مقدار متفاوتی به سمت بالا یا پایین منحرف خواهد شد. در این صورت، باریکه ورودی ذره‌ها روی پرده نوار یکنواختی تشکیل می‌دهد؛ ولی در آزمایش دیده می‌شود که ذره‌ها تنها به سمت بالا یا پایین و آن هم به مقدار مشخصی منحرف می‌شوند. این نتیجه نشان می‌دهد که تکانه زاویه‌ایِ اسپینی گسسته است و فقط مقدارهای مشخصی به خود می‌گیرد. طیف پیوسته‌ای از تکانه زاویه‌ای وجود ندارد.

کشف مفهوم اسپین الکترون

آزمایش این دو دانشمند، در سال ۱۹۲۲، در عین حال، منجر به کشف ناخودآگاه کوانتیزه بودن اسپین شد. اسپین، از خاصیت‌های بنیادی ذرات زیراتمی است که معادل کلاسیک ندارد و یک خاصیت کوانتومی به شمار می‌آید. نزدیک‌ترین خاصیت کلاسیک به اسپین اندازه‌حرکت زاویه‌ای است. در مکانیک کوانتوم، عملگر اسپین درست از همان قانون جابجایی عملگر اندازه‌حرکت زاویه‌ای پیروی می‌کند. در مکانیک کوانتومی، آزمایش اشترن-گرلاخ، آزمایش مهمی است که انحراف ذرات را در میدان مغناطیسی و اصول پایه‌ای مکانیک کوانتومی را  به خوبی نشان می‌دهد. بر مبنای این آزمایش، دستگاهی هم ساخته شد. دستگاه اشترن – گرلاخ یکی از تجهیزات پیشرفته ی آزمایشگاه های مدرن فیزیک جهان است. این دستگاه برای اتو اشترن و والتر گرلاخ ، چنان‌که اشاره شد ناخواسته باعث کشف مفهوم اسپین الکترون در اتم های هیدروژن گونه در سال 1922 شد و در سال های بعد ضمن اخذ جایزه ی نوبل ، تاثیر عمیقی در درک سازوکار باریکه های مولکولی به همراه داشت.

از لحاظ علمی آزمایش آن، مرزی برای نظریات فیزیک کوانتمی و مکانیک آماری قلمداد می شود. این دو فیزیکدان در آزمایش خود،باریکه ای از اتم های نقره را از یک میدان مغناطیسی غیر همگن عبور دادند. انتظار می‌رفت اتم‌ها به واسطه گشتاور مغناطیسی خود که جهت های تصادفی مختلفی داشتند، پس از عبور از میدان مغناطیسی به طور تصادفی منحرف شده و در نتیجه با توزیع یکنواختی به آشکار ساز مقابل خود برخورد کنند اما در کمال شگفتی اتم‌ها یا فقط به مقدار مشخصی به سوی بالا منحرف می شدند یا به سوی پایین. پس از کشف ویژگی کوانتومی اسپین الکترون‌ها، مشخص شد از آنجایی که اتم های نقره یک الکترون منفرد در لایه آخر اتمی خود دارند و با توجه به کوانتومی بودن اسپین الکترون- که تنها می تواند در دو امتداد مختلف به میدان مغناطیسی قرار گیرد- بنابراین اتم های نقره پس از عبور از میدان مغناطیسی غیر همگن فقط یا مقداری به بالا منحرف می شوند یا به پایین و حالت بینابینی مابین این دو وجود ندارد. بعد ها با کشف ذرات زیر اتمی دیگر نظیر پروتون، نوترون، میون و … مشخص شد که ویژگی کوانتومی اسپین منحصر به الکترون ها نیست و تمامی ذرات زیر اتمی اسپین کوانتومی دارند.

 

گزارش: مهرداد نصرتی

No tags for this post.