Опыт Штерна и Герлаха

Пространственное квантование было продемонстрировано экспериментами с атомными пучками, выполненными Штерном и Герлахом в 1922 г. Путем испарения в вакуумной печи серебра или другого металла получают газ, состоящий из возбужденных атомов. С помощью тонких щелей формируется узкий атомный пучок (рис 13.9.), который пропускается через неоднородное магнитное поле с большим градиентом магнитной индукции ¶B/¶z. На атомы, пролетающие в зазоре магнита, вдоль направления магнитного поля действует сила, обусловленная градиентом индукции неоднородного магнитного поля и зависящая от величины проекции магнитного момента атома на направление поля. Эта сила отклоняет движущийся атом в направлении оси z, причем за время пролета в магнитном поле движущийся атом отклоняется тем больше, чем больше величина проекции магнитного момента m_z .

С позиций классической физики, магнитные моменты атомов вследствие их хаотичного теплового движения, при попадании в магнитное поле могут иметь любое направление в пространстве. Это должно приводить к возможности различных отклонений атомов.

Рис. 13.9

В результате, атомы серебра, быстро пролетевшие через магнитное поле, должны были образовывать непрерывную зеркальную полосу в местах оседания на стеклянной пластинке. Если же, как предсказывает квантовая теория, имеет место пространственное квантование, и проекция магнитного момента атома принимает только определенные дискретные значения, то атомный пучок должен расщепиться на дискретное число пучков, которые, оседая на стеклянной пластинке, дадут серию узких дискретных зеркальных полос в областях, куда попадают атомы. Именно этот результат наблюдался в эксперименте. Таким образом, опыт Штерна и Герлаха подтвердил правильность выводов квантовой теории о наличии пространственного квантования магнитных моментов и моментов импульса атомов.

Пространственное распределение электрона в атоме водорода.

Графически вероятность нахождения электрона можно изобразить в виде облака, где более темные области соответствуют большей вероятности нахождения. «Размеры» и «форму» электронного облака в заданном состоянии атома можно вычислить. Для основного n = 1, l =0 состояния атома водорода ψ–функция определяется по формуле:

,

где волновая функция зависит только от расстояния r до центра атома, r₁ – постоянная, совпадающая с радиусом первой боровской орбиты. Следовательно, электронное облако в основном состоянии водорода сферически-симметрично, как показано на рис. 13.10. Электронное облако только приблизительно характеризует размеры атома и движение электрона.

Рис. 13.10.

Рис. 13.11.

На рис. 13.11 изображены электронные облака атома водорода в состояниях: n=2, l=1 и m=1, 0, -1 при наличии магнитного поля.

Если в этих состояниях определить наиболее вероятные расстояния электрона от ядра, то они будут равны радиусам соответствующих боровских орбит. Таким образом, хотя квантовая механика не использует представление о движении электрона по определенным траекториям, тем не менее, радиусам боровских орбит и в этой теории можно придать определенный физический смысл.