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一根劣质雪茄帮助原子物理发展:斯特恩-盖拉赫实验

科学探索万象经验2023-11-15

1912年,为了解决卢瑟福原子模型的一些弊端,玻尔通过两个假设和一个对应原理,成功推导出了氢原子的能级公式。作为一个推论,玻尔又发现电子的轨道角动量是量子化的,即L=nℏ。后来,这个推论又被阿诺德·索末菲进一步扩展:允许轨道的角动量在z方向上的投影只能取ℏ的整数倍,并且可以应用于比氢更复杂的原子中。

轨道角动量量子化在当时有一个奇怪的名字,叫作空间量子化。为什么会有这样的名称呢?因为当时人们认为角动量是个守恒量,而角动量在z方向的投影为L_z=Lcosθ。要满足索末菲提出的条件,即L_z必须是ℏ的整数倍,方向角θ必须是一些分立的值而不是连续的值。

不过当时的物理学家认为,空间量子化只是一个中间步骤,我们只是利用它来推导能级。一旦能级推导出来后,这个东西就可以不用去管。因此,当时没有人会想要去验证空间量子化是否正确。

恰巧有一天,斯特恩去听了一个关于原子物理的报告,报告人讲的就是空间量子化的想法。当时,报告人也强调了这只是一个中间步骤。不过,斯特恩是搞分子扩散的,用今天的话说就是同位素分离。在电场和磁场作用下,较重的同位素跑得较慢,较轻的跑得较快,它们就会分别沉积在不同的位置。

斯特恩对于量子力学来说就是外行,所以他在听完报告后并没有像其他物理学家一样,而是想着如何用实验来验证空间量子化。很快,斯特恩就想出了一个实验,具体步骤如下:

用一个炉子加热一些银原子,使它们蒸发成为原子束,然后用一个准直孔将原子束变成一束平行的原子流;

用一个非均匀的磁场,例如两个相反的磁极,对原子流施加一个垂直于原子流方向的力,使原子流发生偏转。