История лазера. Научное издание
Шрифт:
Рис. 32. (а) Схема эксперимента Штерна и Герлаха. Молекулярный пучок из печки O проходит между полюсами магнита MM' (один из которых в форме ножа) и попадает на экран S. (б) Магнитное расщепление пучка атомов лития
Если поле неоднородно, то сила, действующая РЅР° северный полюс уже РЅРµ равна силе, действующей РЅР° южный полюс. Получается результирующая сила, действующая РЅР° магнит как целое. РћРЅР° отклоняет атом РѕС‚ его первоначальной траектории. Величина отклонения определяется степенью неоднородности поля, Разумеется, чтобы получить заметное отклонение неоднородность поля должна быть такова, чтобы изменения поля могли Р±С‹ проявиться РЅР° малой длине элементарного магнита (РІ нашем случае это линейные размеры атома около РѕРґРЅРѕР№ сотой миллионной части сантиметра). Штерн добился этого специальной конструкцией полюсов магнита. РћРґРёРЅ полюс был РІ форме ножа, Р° РґСЂСѓРіРѕР№ был плоским (СЂРёСЃ. 32, Р°). РџСЂРё такой конфигурации магнитное поле вблизи острия значительно сильнее, чем РЅР° удалении РѕС‚ него. РўРѕРЅРєРёР№ пучок атомов получался испарением РІ печи вещества, содержащего нужные атомы, Рё пропусканием паров через РґРІР° круглых отверстия, которые формировали пучок, проходящий между полюсами магнита. Каждый индивидуальный атом отклоняется РІ неоднородном поле РІ согласии СЃ величиной Рё направлением его магнитного момента. Следы индивидуальных атомов можно сделать видимыми РЅР° подходящем экране. Рксперимент был очень трудным, так как РІСЃСЏ система должна работать РїСЂРё очень высоком вакууме, чтобы избежать случайных отклонений РёР·-Р·Р° столкновений атомов между СЃРѕР±РѕР№. Р’ то время соответствующие вакуумные насосы были сложны Рё часто выходили РёР· строя. Потребовалось почти РґРІР° РіРѕРґР° между 1921 Рі. Рё 1922 Рі., чтобы выполнить весь эксперимент.
Согласно классической теории, атомы должны отклоняться РІРѕ всех возможных направлениях, поскольку РёС… моменты РјРѕРіСѓС‚ иметь любую ориентацию РїРѕ отношению Рє полю. Поэтому РЅР° экране должно было Р±С‹ наблюдаться большое пятно РѕС‚ падающего РЅР° него пучка. Квантовая теория, напротив, предсказывает, что направления квантованы Рё возможны только ориентации СЃ дискретным номером ориентации. Поэтому след РЅР° экране расщепляется РЅР° конечное число дискретных пучков. Рксперимент, сделанный СЃ атомами серебра, показали, что первая картина исключается. Штерн описал это РІ интервью:
После окончания эксперимента Рё напуска РІРѕР·РґСѓС…Р° Герлах вынул детекторный фланец. РќРѕ РѕРЅ РЅРµ увидел никаких следов атомов серебра РЅР° стеклянной пластинке Рё протянул фланец РјРЅРµ. РЎ Герлахом, смотрящим через РјРѕРµ плечо РІ то время, РєРѕРіРґР° СЏ старался вблизи разглядеть пластинку, РјС‹ были удивлены, увидев как постепенно появляются следы пучка... Наконец, РјС‹ поняли, РІ чем дело. РњРѕРµ жалование доцента было слишком мало, чтобы позволить себе курить хорошие сигары, так что СЏ РєСѓСЂРёР» дешевые. Р’ РЅРёС… было РјРЅРѕРіРѕ серы Рё РјРѕРµ дыхание СЃ дымом превратило серебро РІ сульфат серебра черного цвета. Благодаря этому его можно видеть. Рто было похоже РЅР° проявление фотографической пластинки.
Р, наконец, пластинка показала, что пучок расщепляется РЅР° РґРІР° разделенных пучка!
Но результат был не вполне ясен, и эксперименты продолжались, несмотря на большие финансовые трудности, которые в то время испытывала Германия.
Борн начал выступать с серией публичных лекций по теории относительности с целью заработать деньги для продолжения эксперимента.
Позднее Штерн стал профессором РІ Ростоке, Рё Герлах остался РѕРґРёРЅ. РћРЅ повторял эксперимент Рё вместо круглых диафрагм стал использовать прямоугольные диафрагмы для формирования пучка. Рто позволило увеличить число атомов РІ пучке Рё получать более ясные изображения. РќР° СЂРёСЃ. 32, Р± показан результат эксперимента СЃ использованием атомов лития. Результат весьма ясен. Вместо РѕРґРЅРѕРіРѕ широкого пятна получаются РґРІР° хорошо разделенных пятна. Рто РЅРµ только демонстрирует, что атомы имеют магнитный момент, который соответствует угловому моменту СЃ проекциями +1/2 Рё 1/2, РЅРѕ Рё позволяет измерить РёС… значения РІ абсолютных единицах. Разумеется, интерпретация, которую Штерн дал РІ то время, была РЅРµ вполне корректна, поскольку РІРѕ внимание РЅРµ принимался СЃРїРёРЅ электрона (РјС‹ будем говорить РѕР± этом ниже), который должен добавляться Рє моменту электрона РЅР° орбите РїРѕ правилам квантовой механики. Однако основные принципы квантования направления намагничивания остаются РІ силе РІРѕ РІСЃСЏРєРѕРј случае. РњРЅРѕРіРёРµ проблемы, которые возникли РІ результате этого эксперимента, были решены, РєРѕРіРґР° был открыт СЃРїРёРЅ электрона. Р—Р° СЃРІРѕРё эксперименты Штерн получил Нобелевскую премию РїРѕ физике РІ 1943 Рі. Позднее Штерн переехал РІ РЎРЁРђ Рё РІ 1945 Рі. ушел РІ отставку Рё поселился РІ Беркли (Калифорния).
Герлах РІ 1925 Рі. возвратился РІ Тюбинген РЅР° должность профессора, затем переехал РІ Мюнхен. Р’Рѕ время РІРѕР№РЅС‹, РІ 1944 Рі., РѕРЅ стал РІРѕ главе Немецкой Программы Ядерных Рсследований Рё РІ конце РІРѕР№РЅС‹ был интернирован союзниками среди десяти РґСЂСѓРіРёС… ведущих ученых РІ Фарм Холл (Англия). Позднее РѕРЅ РјРЅРѕРіРѕ сделал для возрождения немецкой науки Рё принимал участие РІ кампании Р·Р° запрет ядерного оружия.
Принцип исключения[3]
Несмотря на свои очевидные успехи, в 1924 г. старая квантовая теория, которая в течение нескольких предшествующих лет, казалось, дает методы и принципы, способные помочь, по крайней мере, представить основы атомной феноменологии, столкнулась с трудностями. В этот момент Вольфанг Паули (19001958), отвечая на трудности теории, нашел отправную точку для введения нового и таинственного принципа.
Паули родился РІ Вене РІ семье врача, который стал профессором Р±РёРѕС…РёРјРёРё РІ Венском университете. Паули получил докторскую степень РІ университете Мюнхена РїРѕРґ руководством Зоммерфельда, Рё после этого был ассистентом Борна РІ Гёттенгене РІ 19211922 РіРі. Желая встретиться СЃ Бором, РѕРЅ РїРѕ своей инициативе отправился РІ Копенгаген, РіРґРµ был СЃ октября 1922 Рі. РїРѕ сентябрь 1923 Рі., Р° затем переехал РІ Гамбург, РіРґРµ оставался РґРѕ 1928 Рі., РєРѕРіРґР° РїСЂРёРЅСЏР» кафедру РІ Политехникуме Цюриха. Р—Р° исключением военных лет, которые РѕРЅ провел РІ РЎРЁРђ, РІ Рнституте перспективных исследований РІ Принстоне, РѕРЅ РґРѕ своей смерти РІ 1958 Рі. оставался РІ Цюрихе.
Паули был РєСЂСѓРїРЅРѕР№, интересной Рё жизнелюбивой личностью. РљРѕРіРґР° РѕРЅ появлялся РЅР° людях его звучный Рё РёРЅРѕРіРґР° сардонический смех оживлял любое собрание. РћРЅ всегда появлялся СЃ новыми идеями. Паули начал СЃРІРѕСЋ научную карьеру РІ 21 РіРѕРґ, написав РєРЅРёРіСѓ Рѕ теории относительности Рйнштейна, которая РґРѕ СЃРёС… РїРѕСЂ остается лучшей РїРѕ этому предмету. Его вклад РІ квантовую теорию неоценим. РџРѕРґРѕР±РЅРѕ РґСЂСѓРіРёРј теоретикам РѕРЅ РЅРµ имел дела СЃ экспериментальными , приборами. Говорили, что РѕРЅ обладает мистической силой. Однажды РІ лаборатории профессора Франка РІ Гёттингене вышла РёР· строя, без какой Р±С‹ то РЅРё было причины, сложная установка для изучения атомных явлений. Рзумленный Франк написал РѕР± этом факте Паули РІ Цюрих. Через некоторое время РѕРЅ получил ответ РІ конверте СЃ датской маркой. Паули писал, что РѕРЅ РЅР° поезде ехал Рє Бору, Рё РІ тот момент, РєРѕРіРґР° РІ лаборатории Франка случилась эта неприятность, его поезд останавливался РЅР° несколько РјРёРЅСѓС‚ РЅР° вокзале Гёттингена.
Как говорили РјРЅРѕРіРёРµ люди, Паули был совестью физики. РћРЅ хотел, чтобы люди понимали вещи РґРѕ конца, Рё высказывали РёС… правильным образом. РћРЅ РЅРёРєРѕРіРґР° РЅРµ уставал отвечать РЅР° РІРѕРїСЂРѕСЃС‹ Рё объяснять проблему любому, кто РїСЂРёС…РѕРґРёР» Рє нему СЃ вопросами. РќРѕ ему РЅРµ составляло труда выразить СЃРІРѕРµ неудовольствие, РєРѕРіРґР° РѕРЅ полагал, что слышит что-то неправильное. РћРЅ РЅРµ был хорошим лектором, поскольку РЅРµ был способен оценить, насколько восприимчива аудитория. Однажды студент осмелился прервать его Рё сказать: Р’С‹ говорите нам, что заключение тривиально, РЅРѕ СЏ РЅРµ РјРѕРіСѓ понять этого. РўРѕРіРґР° Паули сделал то, что РѕРЅ часто делал, РєРѕРіРґР° РѕРЅ обдумывал что-РЅРёР±СѓРґСЊ РІРѕ время лекции: ушел РёР· комнаты. Через несколько РјРёРЅСѓС‚ РѕРЅ вернулся Рё сказал: Рто тривиально Рё продолжал лекцию. Однажды его ассистент, специалист РІ области ядерной физики, Виктор Вайскопф (19082002) опубликовал статью, РІ которой содержалась ошибка, Рё Паули, утешая его, сказал: РќРµ принимайте это слишком близко Рє сердцу, РјРЅРѕРіРёРµ люди публикуют работы СЃ ошибками; СЏ РЅРёРєРѕРіРґР°! Как-то Вайскопф показал Паули только что опубликованную статью РїРѕ интересующему Паули РІРѕРїСЂРѕСЃСѓ. РћРЅ сказал: Да, СЏ тоже думал РѕР± этом, РЅРѕ СЏ рад, что РѕРЅ это сделал, так что РјРЅРµ теперь РЅРµ нужно делать это самому.
Р’ период времени, относящегося Рє нашей истории, РєРѕРіРґР° Паули был Сѓ Бора Рё стал интересоваться эффектом Зеемана, РѕРґРёРЅ РёР· коллег Паули сопровождал его РІ прогулке РїРѕ улицам Копенгагена. РћРЅ сказал Паули: Р’С‹ выглядите очень несчастным, Рё Паули ответил: Как же можно быть счастливым, РєРѕРіРґР° думаешь РѕР± аномальном эффекте Зеемана? Однако его размышления дали РІ 1924 Рі. важные плоды. Паули отказался РѕС‚ механического взгляда РЅР° атом Рё сосредоточил СЃРІРѕРµ внимание РЅР° квантовых числах, которые представляют состояния электронов. РћРЅ провозгласил, основываясь РЅР° долгом изучении эффекта Зеемана, что каждый электрон характеризуется набором квантовых чисел, Рё что РІ атоме позволено быть РЅРµ более чем РґРІСѓРј электронам СЃ РѕРґРЅРёРј Рё тем же числом. Попросту РіРѕРІРѕСЂСЏ, это означает, что РЅРµ более РґРІСѓС… электронов РјРѕРіСѓС‚ находиться РЅР° определенной орбите атома. Ртот принцип был назван Паули принципом исключения. Сразу же это правило позволило приписать электроны Рє различным энергетическим СѓСЂРѕРІРЅСЏРј Рё обосновать построение таблицы Менделеева. Ртот принцип позднее был продемонстрирован, используя квантовую механику, Рё Паули был награжден Нобелевской премией РїРѕ физике РІ 1945 Рі.