２０１０年第４期
青海师范大学学报（自然科学版）
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＱｉｎｇｈａｉＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）
２０１０ＮＯ．４
史特恩一盖拉赫实验结果的讨论
彘抵献
（青海师范大学物理系．青海西宁８１０００８）
摘
要：史特恩一盖拉赫实验是近代物理学中的一个重要实验．该实验对电子自旋理论、角动量最子化理论及空间取向的
假设都有重要意义．文章讨论了原子磁矩的量子化特性。为该实验的结果做了进一步的说明．关键词：史特恩～盖拉赫实验ｌ电子自旋；角动量量子化；李问取向ｌ原子磁矩的量子化
中圈分类号：Ｎ０５７
文献标识码：Ａ文章编号：１００ｌ一７５４２１２０１０）０４—００２２—０３
原子中电子轨道的大小、形状和电子运动的角动量、原子内部的能量都是量子化的。而且在外场中角动量的取向也可能是量子化．史特恩（０．Ｓｔｅｒｎ）和盖拉赫（Ｗ．Ｇｅｒｌａｃｈ）在１９２１年进行的实验是对原子在外磁场中取向量子化的首次直接观察，它是原子物理学中最重要的实验之一，其装置示意图见图
１．
＋Ｉ
ｌ
Ｌ—ｄ＿一
图１史特恩一盖拉赫装置试验示意图
．
原子（例如氢原子）在容器０内被加热成蒸气，热平衡时原子的速度ｖ满足关系式：
ｍｙ２＝３ｋＴ
（１）
式中ｋ是波耳兹曼常数（８．６１７×１０～ｅＶ・Ｋ叫）．由此表明．当温度Ｔ＝１０５Ｋ时．原子的能量才达到８．６ｅＶ．尚低于氢的第一激发能（１０．２ｅＶ）．在一般实验条件下，容器内的温度远低于１０５Ｋ，那时的氢原子都处于基态．
氢原子从容器（）内通过一小孔逸出，再经过狭缝Ｓ。和ｓ２后，就使我们选出了沿水平方向（Ｘ）运动的氢原子束，其速度为ｖ，由式（１）确定．在狭缝ｓ２右面有一个磁场区。由于一个带磁矩弘的磁体在均匀磁场中只受到力矩的作用，只有在不均匀的磁场中才会受到力的作用．因此，为了使进入磁场区域的原子束受到力的作用．这个磁场区必须是一个非均匀的磁场区．所谓“磁场的均匀与非均匀”，都是相对的；我们现在的对象是原子束，因此就要求磁场在埃的限度范嗣内呈非均匀性．这是实验的困难所在．而史特恩与盖拉赫的功绩之一。就是制造了一块能在很小限度内产生很不均匀磁场的磁铁，见图ｌ。对于这样一种磁铁．容易看出：
孚：孚：ｏ一＝一＝Ｉ－
ｄｚ
ｄ～
收稿日期：２０１０—０６—２０
作者誓介：唐新科（１９６４－－）．男．陕西旬邑人．教授．研究方向：近代物理．
第４期唐新科：史特恩一盖拉赫实验结果的讨论
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于是，受力方向只是在ｚ方向。
Ｆ：：ｐ：尝
原子束在磁场区域内将做抛物线运动，运动方程为：
ｚ＝Ⅱ
（２）
原子束以水平（ｘ方向）速度ｖ进入磁场区，而在垂直方向（ｚ）受到力Ｆ。的作用。这就好比平抛运动．
ｚ＝÷Ｊ＇ｚｔ２
（３）
原子束在经过磁场区（长度为ｄ）到达出口处时，已偏离Ｔ轴ｚ，距离，那时与工轴的偏角为
口＝ｔｇ叫（塞）＝ｔｇ叫（墅ｍｖｌ／＝ｔｇ叫（等）
然后它沿直线运动。一直落到屏幕Ｐ上面，那时偏离工轴的距离为ｚ。．容易证明：
ｚ：＝肛鲁・等ｚ２。肛瓦‘丽
式中Ｄ表示屏幕Ｐ离磁场区中点的距离（图１）。而
胁＝／比ｃｏｓＢ
㈩
‘４）
（５）
见图２．由此可见，若仅仅是Ｐ量子化户＝一／盯可于可，加．而ｃｏｓ／，可以是任意的话，那么卢：就不是
量子化的，从而ｚ。也不可能是量子化的．只有当空间也是量子化时。即口在ｚ方向的投影也是量子化时，ｚｚ的数值才可能是分立的．因此，从实验测到的ｚ：值是否分立，就可反过来证明口。是否量子化．史特恩一盖拉赫实验的结果表明，氢原子在磁场中只有两个取向，这就有力地证明了原子在磁场中的取向是
量子化的．见图３．
‘属■捌阳爆１．甄面Ｊ
ｊ‘｜
／
ｋ
ｒ
不加碰场
加磁场经典璜言
八
图２肛与ｚ方向的夹角
图３
八．
加碰场实验结果
史特恩一盏托赫实验对氢原子的结果
史特恩一盖拉赫实验是空间量子化的最直接的证明。它是第一次量度原子的基态性质的实验。又正是这个实验．进一步开辟了原子束及分子束实验的新领域．
实验结果说明：１．原子确实有磁矩．可以被磁场作用．２．磁矩取向是量子化的．如果口。可以任意值。则由于Ｈ原子数很多口。应是连续分布的得到连续带状图谱．而结果表明得到的是两条分立的条纹．这直接表明原子磁矩在磁场方向的投影是量子化的．３．磁矩与角动量有密切联系进一步证明原子角动量的空间量子化事实．４，电子自旋假设的正确和电子自旋磁矩数值的正确．也进一步为认识原子内部的形态建立了理论基础．
参考文献：
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青海师范大学学报（自然科学版）
２０１０年
Ｓｔｅｒｎ—Ｇｅｒｍａｎｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓ
ＴＡＮＧＸｉｎｇ—ｋｅ
ａｒｅ
ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ
（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆｐｈｙｓｉｃ，ＱｉｎｇｈａｉＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉｎｉｎｇ８１０００８，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔｅｒｎ—Ｇｅｒｌａｃｈｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｓ
ａｎ
ｉｍｐｏｒｔａｎｔｍｏｄｅｒｎｐｈｙｓｉｃｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔｈｉｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ
ｏｆｅｌｅｅｒｒｏｎｓｐｉｎ，ａｎｇｕｌａｒｍｏｍｅｎｔｕｍｑｕａｎｔｉｚａｔｉｏｎｔｈｅｏｒｙａｎｄｔｈｅｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｈｙｐｏｔｈｅｓｉｓ
ｓｐａｃｅ
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ｏｆｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃａ．Ｔｈｉｓ
ｐａｐｅｒ
ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ
ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｔｈｅａｔｏｍｉｃ
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ｓｐｉｎ；ａｎｇｕｌａｒ
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ｑｕａｎｔｍａｔｌｏｎ；ｍａｇｎｅｔｔｃ
ｍｏｍｅｎｔａｔｏｍ；ｑｕａｎｔｉｚａｔｉｏｎ
（上接第２１页）
［９］ＴｈｅＤ０３
ｍａｔｈＩｆｉｓ
ｗｏｒｋｓ．Ｉｎｓ．ＭＡＴＬＡＢＶｅｒｓｉｏｎＷｈａｔ
ａｒｅ
５．２０［Ｍ］．Ｊａｎｕａｒｙｌ７，１９９８ＭＡＴＬＡＢ＼ｈｅｌｐＴＥＣＨＤＯＣ＼ＲＥＦ＼ＯＤＥＦＩＩ－Ｅ・
ａｎｄ
ＳＲＥＶｉｒｔｕａｌ
Ｅｎｖｉｒｏｍｅｎｔｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＣｏｍｐｕｔｅｒＧｒａｐｈｉｃｓ
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ１９９４・１４（１）：１７—２２・
Ｏｕａｌｉｔａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎ
ｔｏ
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ＧＥＲｉ—・ＣＵＯ．—ｍａｏ
（ＴｅａｃｈｅｒｓＣｏｌｌｅｇｅｏｆＮａｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓ。ＱｉｎｇｈａｉＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉｎｉｎｇ８１０００８，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ
ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
ｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
ａｒｅ
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｍｏｒｅａｎｄ
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ｃｏｕｐｌｅｄｓｙｓｔｅｍｓ
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ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｖ—ｍａｇｎｅｔｉｓｍ—ｍｅｃｈａｎｉｓｍｌｉｎｅａｒｄｙｎａｍｉｃｓｐｈｅｎｏｍｅｎａ．Ｉｎｏｒｄｅｒｗｅｏｕｇｈｔ
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ｉｍｐｒｏｖｅｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｓｅｃｕｒｉｔｙｏｆｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｅｓｙｓｔｅｍｓ，
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ｓｔｕｄｙｔｈｅｓｅｓｙｓｔｅｍｓｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｄａｍｐｉｎｇ——ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｙｃｉｒｃｕｉｔｓ
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ａｒｅ
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ｄｉｓｃｕｓｓａｎｄｄｅｌｉｂｅｒａｔｅｔｈｉｓｔｙｐｅｏｆｃｉｒｃｕｉｔｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｙ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｈａｓｅｐｌａｎｅ；ｆｉｘｅｄｐｏｉｎｔ；ｌｉｍｉｔｃｙｃｌｅ；ｈｏｐｆｂｉｆｕｒｃａｔｉｏｎ
史特恩-盖拉赫实验结果的讨论
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
唐新科， TANG Xing-ke
青海师范大学物理系,青海,西宁,810008
青海师范大学学报（自然科学版）
JOURNAL OF QINGHAI NORMAL UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION)2010，26(4)0次
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1.期刊论文 赵明骅 用电子自旋理论解释史特恩-盖拉赫实验 -武汉科技大学学报(自然科学版)2003,26(4)
运用电子自旋理论,以电子自旋磁矩与电子轨道磁矩相互作用产生附加能量ΔE,并引入磁量子数M,结合银原子的基态,解释了史特恩-盖拉赫实验.
本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_qhsfdxxb-zrkx201004006.aspx
下载时间：2011年6月11日