2020年2月22日 星期六

自旋是量子世界的神秘現象連愛因斯坦也怕它 量子力學(10)

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奧托·斯特恩Otto Stern,1888年2月17日-1969年8月17日)是一位猶太人,1912年他認識了愛因斯坦,並在他後面學習了幾年,所以他很幸運的成為了愛因斯坦的第一個學生。愛因斯坦的實驗大多都在腦袋裡完成的,他卻是動手實幹型的實驗科學家。第一次世界大戰時,他在法蘭克福大學任講師,一戰結束後,該大學迎來了一位新實驗室主任馬克斯·玻恩 (德語:Max Born,1882年12月11日-1970年1月5日)奧托·斯特恩(Otto Stern)又很有幸的成為了玻恩(Born)的助手。
馬克斯· 玻恩出生於德國一個猶太家庭,父親是大學教授,所以才受影響走上了科學道路。1915年玻恩(Born)去柏林大學任理論物理學教授,那時愛因斯坦正在柏林大學。他和愛因斯坦結下了深厚的友誼。
施特恩(Stern)很想驗證角量子與磁量子,他認為如果將原子通過磁場,再磁場的作用下,原子運動的路徑也是量子化的,當他興致勃勃的把這個想法告訴玻恩時,玻恩(Born)不認為這種實驗有價值,因為原子取向量子化只是個表面現象,意味着什麼人類暫時還無從知道。儘管如此,玻恩(Born)依然為他的實驗籌備經費,要知道德國在一戰中作為戰敗國,整個國家經濟上陷入了窘境,拿錢出來對於德國政府也是很困難的。
1921年,斯特恩(Stern)與同事瓦爾特·格拉赫(德語:Walther Gerlach,1889年8月1日-1979年8月10日)一起做了銀原子束通過磁場的實驗:

斯特恩-革拉赫實驗
德國物理學家奧托·斯特恩(Stern)和瓦爾特·革拉赫(Gerlach)為證實原子角動量量子化於1921年到1922年期間完成的一個著名實驗。斯特恩-革拉赫實驗設法令高溫的銀原子從高溫爐中射出,經狹縫準直後形成一個原子射線束,而後銀原子射線束通過一個不均勻的磁場區域,射線束在磁場作用下發生偏折,最後落在屏上。如果原子磁矩的方向是可以任意取向的,則屏上形成一片黑斑。而實驗發現屏上形成了幾條清晰的黑斑,表明銀原子的磁矩只能取幾個特定的方向,從而驗證了原子角動量的投影是量子化的。斯特恩-革拉赫實驗是歷史上第一次直接觀察到原子磁矩取向量子化的實驗。

法蘭克福大學紀念斯特恩-革拉赫實驗的銘牌
由於高溫爐中的溫度不足以令大多數原子從基態激發到激發態,斯特恩-革拉赫實驗主要顯示的是基態原子的角動量和磁矩。如果只考慮原子的軌道角動量,屏上斑紋的條數應當是 {\displaystyle 2l+1} 2l+1 ,其中 {\displaystyle l} l 是角量子數。對於鋰、鈉、鉀、金、銀、銅等原子,實驗得到了兩條斑紋,反推角量子數是1/2。而根據當時的理論,角量子數只能取整數,因此斯特恩-革拉赫實驗顯示,原子中不只有軌道角動量,還應當有其他形式的角動量。

那就是自旋當時他們並不知道自己實驗觀察出來的是自旋自旋這個名字也很容易誤導人自旋聽起來好像是在繞核旋轉或是自己在那旋轉但其實都不是,它是天生一生下來的屬性

就有點像仙劍奇俠傳裡面的水靈珠或雷靈珠天生就帶有水或雷的屬性後來呢有了4個量子化概念:主量子n、角量子l、磁量子m、自旋。
我就稍微講一下這自旋的狀況吧!如果你是用垂直方向的非均勻磁場銀原子會分裂為兩束一束朝上偏轉,即自旋向上;一束朝下偏轉,即自旋向下。
我們直接講上旋跟下旋
如果你是用水平方向的非均勻磁場,它一樣會在水平方向分裂成兩束哪邊是上旋你可以自己定義 自旋目前就先叫紹到這邊吧!以後還會提到
下一集要登場的人物是天才泡利

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