1. Досліди Штерна та Герлаха.

2. Принцип Паулі. Розподіл електронів в атомі по енергетичних рівнях.

3. Періодична система Д.І. Менделеєва.

1. Досліди Штерна і Герлаха

В теорії Шредінгера кожен стаціонарний стан визначається значенням трьох квантових чисел , із яких (головне квантове число) визначає величину енергії стаціонарного стану, (орбітальне квантове число) визначає величину моменту імпульсу, (магнітне квантове число) – величину проекції моменту імпульсу на заданий напрямок.

Але в теорії Шредінгера не враховано ще одне квантове число. Справа в тому, що у електрона, крім орбітального моменту імпульсу М, ще є власний механічний момент імпульсу , який називається спіном електрона. Припущення про існування спіну було висловлено Гоудсмітом і Уленбеком (1925 р.) в зв’язку з цілим рядом труднощів, які накопичилися до того часу в атомній фізиці. Наприклад, з’ясувалося, що спектральні лінії мають «тонку структуру», яка спостерігається і при відсутності зовнішніх полів: всі лінії в спектрі водню виявилися дуплетами, тобто складаються із двох окремих, близько розташованих ліній.

Висновки квантової механіки про просторове квантування потребували експериментального підтвердження. Виявилось, що всі електронні лінії мають так звану «тонку структуру», яка спостерігається навіть при відсутності зовнішнього магнітного поля. Так, всі спектральні лінії водню і лужних металів є дуплетами, тобто складаються з двох окремих, близько розташованих ліній. Була висунута гіпотеза про наявність у електронів власного механічного моменту, пов’язаного з обертанням його навколо власної осі.

Гіпотезу про існування власного механічного моменту (спіну) і власного магнітного моменту було пояснено в дослідах Штерна і Герлаха, виконаних ними ще в 1921-1923р.р.

Для визначення орбітального моменту імпульсу М, та магнітного моменту P_m одного електрона треба було поставити дослід з атомами, в яких орбітальні механічні (магнітні) моменти всіх електронів, крім одного, взаємно компенсують один одного. Такими є атоми хімічних елементів, які утворюють першу групу періодичної системи елементів Менделєєва і мають один валентний електрон на зовнішній оболонці.

Для дослідження були використані нейтральні атоми срібла, на зовнішніх оболонках яких рухається по одному електрону. Схема установки дослідів Штерна і Герлаха показана на (рис. 8.1.1)

Рис. 8.1.1

В установці на Рис. 8.1.1 було створено досить неоднорідне магнітне поле за рахунок особливої конструкції магнітних полюсів постійного магніту.

Потенціальна енергія атомів срібла пов’язана з і співвідношенням

(8.1.1)

Де - вектор магнітного моменту атому срібла:

• - вектор індукції зовнішнього магнітного поля.

Якщо зовнішнє магнітне поле буде постійним, то магнітні моменти атомів срібла, здійснювали б прецесію навколо вектора , а магнітні сили були б відсутні.

Під дією магнітної сили повинно бути розчеплення спектральних рівнів.

Якщо просторового квантування немає, тобто орієнтація магнітних моментів атомів у зовнішньому магнітному полі довільна, то на екрані спостерігатиметься неперервний розподіл атомів. На фотопластинці це фіксувалось би у вигляді розмитої смуги з більшою густиною влучень на середині пластинки і зменшенням кількості влучань біля її країв. Досліди, виконані зі сріблом та іншими елементами періодичної системи, привели до зовсім іншого результату.

Виявилося, що залежно від досліджуваного елемента на пластинці спостерігається декілька тонких смужок, чітко відділених одна від одної і симетрично розміщених відносно початкового положення (при =0) (рис. 8.1.2).

Рис. 8.1.2

Наприклад, атоми водню відхилялися в магнітному полі у двох напрямках, що відповідає лише двом можливим орієнтаціям магнітного моменту атома у зовнішньому полі.

Важливою особливістю атомів першої групи є те, що валентний електрон в основному стані атома має орбітальне квантове число, яке дорівнює нулю, тобто електрон перебуває в s-стані. Атомний пучок у дослідах мав атоми в основному стані.

Однак у стані з l = 0 електрон не має моменту імпульсу, як це випливає з формули . Тому виникає питання про пояснення результатів дослідів Штерна і Герлаха. Просторове квантування якого моменту імпульсу було виявлено в цих дослідах?

Аномальне розчеплення атомних пучків водню, літію, срібла на два пучки неоднорідним магнітним полем пов’язане з квантуванням власного магнітного моменту атомів.

З квантової точки зору цю властивість частинок називають спіном.