Experimentalphysik III (Atomphysik)

6.4. Stern–Gerlach–Experiment, Spin, g s –Faktor, Einstein–de Haas–Effekt 117
�B
�µ
Abb. 6.10: Präzessionsbewegung von
�µ um � B.
Abb. 6.12: Klassische Erwartung.
z
z
y
x
N
S
Blende
Schirm
Abb. 6.11: Stern–Gerlach–Versuch: Messung des magnetischen Momentes
von Ag–Atomen mit Hilfe der Atomstrahlmethode.
Klassisch sind alle Komponenten µ z kontinuierlich zugelassen.
Man erwartet auf dem Schirm eine kontinuierliche Verteilung in
z–Richtung.
Im Sommerfeld–Modell erwartet man für die Ag–Atome im Grundzustand mit n ϕ ≡ k =1,also
eine Richtungsquantisierung in drei Teilstrahlen gemäß den 3 Komponenten mit n α = −1, 0, 1.
Diesen Effekt suchten Stern und Gerlach.
Abb. 6.13: Ionisation
des Alkali–Atoms.
Sie verwendeten einen Ag–Atomstrahl, da der Nachweis von Atomstrahlen
damals allgemein noch Schwierigkeiten bot (Ag–Atome auf
Glasplatte aufgefangen und mit AgNO 3 und Photoentwickler sichtbar
gemacht).
Später benutzte man den Langmuir–Taylor–Detektor: Weil die Ionisierungsarbeit
kleiner ist als die ” Elektroneneintrittsarbeit“, wird das
Alkali–Atom ionisiert.
Stern und Gerlach beobachteten eine Aufspaltung in zwei Teilstrahlen. Damit war die Richtungsquantelung
nachgewiesen, aber die Tatsache von zwei Teilstrahlen war nach unserer bisherigen
Theorie unverständlich. Nach dieser würden wir außer den beiden Teilstrahlen einen weiteren,
nicht abgelenkten Teilstrahl, der der Lage senkrecht zum Magnetfeld entsprechen würde,
erwarten. Aus der Größe der Ablenkung, der bekannten (thermischen) Geschwindigkeit der Ag–
Atome und dem gemessenen Feldgradienten (Kraft auf Bi–Kügelchen) erhielten sie die Größe
von µ z :
µ z = ±µ B (±10%) .
Eine Aufklärung dieser Diskrepanz erfolgte durch G.E. Uhlenbeck und S. Goudsmit (1925)
indem sie einen Eigendrehimpuls = Spin �s des Elektrons einführten. Der Effekt der Aufspaltung
in 2 Teilsstrahlen läßt sich nur dadurch erklären, daß das s–Elektron des Ag–Atoms keinen
Bahndrehimpuls besitzt, d.h. l = 0. Jetzt dürfte es überhaupt keine Aufspaltung geben und
die Tatsache, daß wir zwei Strahlen sehen, muß an einer neuen Quantenzahl liegen, die den
gleichen Regeln gehorchen soll, wie die des Bahndrehimpulses. Nach diesen müssen, daß sich die