Thí nghiệm Stern-Gerlach và sự tồn tại của spin electron

Và thí nghiệm Stern-Gerlach đã giải thích được điều đó, chứng minh trực tiếp cho cả sự tồn tại của spin lẫn sự lượng tử hóa không gian... Vào năm 1920, ông chỉ ra rằng nhất định các nguy

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Vật lý, và các ngành khoa học tự nhiên nói chung là công trình hợp lý dựa trên bằng chứng thực nghiệm có giá trị, sự chỉ trích và thảo luận hợp lý Nó cung cấp cho chúng ta kiến thức về thế giới vật lý, và thực nghiệm đã chứng minh điều này Thực nghiệm đóng vai trò rất quan trọng trong khoa học, một trong những vai trò quan trọng của nó là kiểm tra lý thuyết, cung cấp cơ sở cho kiến thức khoa học Nó cũng có thể được coi là lý thuyết mới, hay bằng cách nào đó nó chỉ ra lý thuyết được chấp nhận là sai, hoặc bằng cách trưng bày một hiện tượng mới cần được giải thích Thực nghiệm cũng có thể cung cấp những gợi ý hướng đến cấu trúc hoặc công thức toán học của một lý thuyết và có thể cung cấp bằng chứng cho sự tồn tại của lý thuyết Cuối cùng, nó cũng có cuộc sống riêng của nó, tồn tại độc lập với lý thuyết

Đôi khi thực nghiệm lại chống lại lý thuyết làm cho các nhà khoa học phải nhìn lại vấn đề và đưa ra lý thuyết mới phù hợp hơn và có nhiều ứng dụng hơn chứ không cứng ngắc theo quan niệm cũ Sau đây chúng em xin trình bày thí nghiệm Stern-gerlach, một thí nghiệm chứng minh cấu trúc tinh tế của quang phổ vạch Trước đây, theo Born thì khi chuyển năng lượng cao về năng lượng thấp sẽ chỉ phát ra một vạch quang phổ Nhưng trong thực tế thì không phải một vạch mà

là do nhiều vạch hợp thành Và thí nghiệm Stern-Gerlach đã giải thích được điều

đó, chứng minh trực tiếp cho cả sự tồn tại của spin lẫn sự lượng tử hóa không gian

MỤC LỤC

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

MỤC LỤC 2

CHƯƠNG 1:THÍ NGHIỆM STERN-GERLACH 3

1.1 TIỂU SỬ OTTO STERN 3

1.2 TIỂU SỬ WALTER GERLACH 4

1.3 THÍ NGHIỆM STERN-GERLACH 6

1.3.1 MÔ TẢ THÍ NGHIỆM STERN-GERLACH 6

1.3.2 HIỆN TƯỢNG VÀ GIẢI THÍCH 10

1.3.3 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 11

CHƯƠNG 2: SỰ TỒN TẠI CỦA SPIN 12

2.1 SỰ RA ĐỜI CỦA SPIN 12

2.2 KHÁI NIỆM VỀ SPIN 15

2.3 CÁC SỰ KIỆN THỰC NGHIỆM XÁC NHẬN SỰ TỒN TẠI SPIN CỦA ELECTRON 15

2.4 ỨNG DỤNG CỦA SPIN 18

2.4.1.Ứng dụng của spin trong công nghệ spintronics 18

2.4.2 Ứng dụng của spin trong chế tạo maser 19

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ KINH NGHIỆM 22

PHỤ LỤC 23

TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

CHƯƠNG 1: THÍ NGHIỆM STERN-GERLACH

2

1.1 TIỂU SỬ CỦA OTTO STERN

Otto Stern sinh 17/2/1888 tại

Sohrau, hạ Silesia, Đức (nay là Zary,

Balan) Cha là Oscar Stern, còn mẹ là bà

Eugenie Rosenthal.Năm 1892, ông cùng

gia đình chuyển đến sống tại Breslau

(nay là Wroclaw, Balan), và ông theo học

ngành vật lý hóa học năm 1906, đến năm

1912 ông nhận bằng tốt nghiệp của

trường đại học Breslau Trong cùng năm

đó, ông theo học với Albert Einstein tại

trường đại học Prague, sau đó, họ cùng

đến trường đại học Zurich Và họ đã

cùng nhau viết một bài báo về năng Hình 1.1 Otto Stern (1888-1969)

lượng điểm không của một dao động điều hòa vào năm 1913 Năm 1914, ông đến Đại học Frankfurt là giảng viên vật lý lý thuyết, và ông ở lại đó cho đến năm 1921, ngoại trừ một thời gian phục vụ quân sự Ông từng phục vụ cho quân đội Đức trong chiến tranh thế giới lần thứ nhất (1914-1918) Từ 1921-1922 ông là Phó Giáo sư Vật lý lý thuyết tại Đại học Rostock, và năm 1923,ông trở thành Giáo sư hóa học và vật lý, giám đốc phòng thí nghiệm tại Đại học Hamburg, nơi đó, ông ở cho đến năm 1933 Trong năm đó ông chuyển sang Hoa Kỳ, được bổ nhiệm làm giáo sư nghiên cứu Vật lý tại Viện Công nghệ Carnegie, Pittsburgh, ông ở lại cho đến năm 1945, và sau đó ông trở thành giáo sư danh dự của đại học California, Berkeley Năm 1930 ông được trao bằng LL.D của đại học California Ông là thành viên của viện hàn lâm khoa học quốc gia Mỹ, hiệp hội Mỹ vì sự tiến bộ của khoa học, triết học và xã hội Ông còn là thành viên nước ngoài của viện khoa học hoàng gia Đan Mạch.

Vào năm 1920, ông chỉ ra rằng nhất định các nguyên tử cũng có từ tính trong khoảnh khắc nào đó (có thể coi nguyên tử như nam châm nhỏ), và vào năm 1921, ông làm việc với Walter Gerlach (1889- 1979) họ đã tìm thấy “Spin quantization” (sự lượng tử hóa spin) trong một từ trường được gọi là hiệu ứng Stern-Gerlach Ông cũng sử dụng chùm phân tử để đo momen từ của photon, và sử dụng nhiễu xạ để hiển thị các thuộc tính sóng của nguyên tử hoặc phân tử.

Khi chế độ Đức quốc xã lên nắm quyền vào năm 1933, người Do thái chạy sang Mỹ, nơi ông đang giảng dạy và tiến hành nghiên cứu tại viện kỹ thuật học Carnegie (nay là đại học Carnegie Mellon) và đại học California ở Berkeley Ông đã đoạt giải Nobel vật lý năm 1943, giải đầu tiên kể từ năm 1939 và là người duy nhất đoạt giải vật lý trong năm Suốt đời ông chưa bao giờ kết hôn, và được biết đến như là người rất thích chơi tennis và khiêu vũ Ông bị một cơn đau tim gây tử vong trong khi xem một bộ phim trong rạp chiếu phim Berkeley ngày 17/8/1969.

1.2 TIỂU SỬ CỦA WALTER GERLACH

Walter Gerlach sinh ngày 4/8/1889 ở

Biebrich1 , Hessen-Nassau Ông học tại Đại học Tübingen từ

năm 1908, và nhận được học vị tiến sĩ vào năm 1912, theo học

Friedrich Paschen 2 Sau khi có học vị tiến sĩ của mình, ông tiếp tục

như là một trợ lý của Paschen, mà ông đã được kể từ năm 1911

Gerlach hoàn thành chương trình

Habilitation3 tại Tübingen năm 1916 Ông cũng phục vụ trong

quân đội Đức từ năm 1915-1918,

làm việc trên điện báo không dây tại Jena theo Max Wien Từ

1919-1920, ông là người đứng đầu một phòng thí nghiệm vật lý

của Farbenfabriken Elberfeld, trước đây là Bayer-Werke Năm 1920, ông trở thành một trợ lý giảng dạy

và giảng viên tại Đại học Goethe Johann Wolfgang Vào tháng mười một năm 1921, ông và Otto Stern phát hiện ra không gian bị lượng tử hóa trong một từ trường, được gọi là thí nghiệm Stern-Gerlach Và đầu năm 1932, ông trở thành giáo sư nghiên cứu tại đại học Princeton Một nhà khoa học xuất sắc, Gerlach là một trong những nhân vật hàng đầu của thế giới trong lĩnh vực vật lý của sự bùng nổ của Thế chiến thứ hai

Từ năm 1937 cho đến năm 1945, Gerlach là điều phối viên trưởng của viện nghiên cứu hạt nhân tại Kaiser Wilhelm Tuy nhiên, khi làm việc với Werner

không thể phát triển một quả bom nguyên tử Trong tháng tư, năm 1945, lực lượng Đồng Minh bắt giữ các nhà khoa học Đức như Gerlach, Otto Hahn, Werner

được trở về Đức và ông trở thành giáo sư thỉnh giảng tại Đại học Bonn Từ năm

1948, ông trở thành giáo sư vật lý thực nghiệm và giám đốc bộ phận vật lý tại Đại học Munich, ông giữ vị trí cho đến năm 1957 Ông cũng là hiệu trưởng của

4Hình1.2 Walter Gerlach

trường đại học 1948-1951 Từ 1949-1951, Gerlach là chủ tịch sáng lập của Hiệp hội Fraunhofer-Gesellschaft Hiệp hội Fraunhofer là một tổ chức nghiên cứu Đức với 59 viện lan rộng ra khắp nước Đức, mỗi viện tập trung vào các lĩnh vực khác nhau của khoa học áp dụng Ở đó có hơn 12.500 người, chủ yếu là các nhà khoa học và kỹ sư, với một ngân sách nghiên cứu hàng năm khoảng 1200000000 bảng Anh Năm 1957, Gerlach đồng ý ký tuyên ngôn của ManifestoGöttinger Tuyên ngôn của Göttingen là một tuyên bố của 18 nhà khoa học hàng đầu về hạt nhân của Tây Đức chống lại vũ trang quân đội Tây Đức bằng vũ khí hạt nhân

Walter Gerlach qua đời vào ngày 10/8/1979

1.3 .1 Mô tả thí nghiệm Stern-Gerlach

Bạc được bay hơi trong một lò điện các nguyên tử bạc sau đó được phun vào chân không bên ngoài của dụng cụ qua một lỗ nhỏ ở vách lò Các nguyên tử mặc dù trung hòa về điện nhưng lại có momen từ tạo thành một chùm hẹp khi chúng đi qua một khe chuẩn trực Sau đó, chùm tia đi qua khoảng giữa hai cực của một nam châm điện, rồi cuối cùng đến một tấm thủy tinh phát hiện

a) Lò: nguồn chứa chùm nguyên tử bạc Bạc ở trạng thái cơ bản vì các lớp trong đã đầy và lớp ngoài

cùng chỉ còn có một electron Khi bắn thì có một electron phát ra

b) Khe chuẩn trực: để tách lấy một chùm tia bạc, khe càng nhỏ thì càng chính xác.

c) Lưỡng cực (dipole) trong một từ trường không đều:

Các mặt cực của nam châm được tạo dựng để làm cho từ trường không đều nhất có thể được Vì đối với trường đều, ta thấy rằng không có một lực tổng hợp nào tác dụng lên lưỡng cực Các cực hướng lên và hướng xuống ở các cực có cùng độ lớn và chúng sẽ triệt tiêu bất kì sự định hướng của lưỡng cực là như thế nào đi nữa Hình 1.3.

sự định hướng của mômen từ của các nguyên tử đó

Như trong hình 1.4 (a), một lưỡng cực trong từ trường không đều, từ trường giảm dần theo chiều từ dưới lên Vì vậy, mà lực F- lớn hơn lực F+ làm xuất hiện một lực Fnet (tổng lực) hướng xuống trong từ trường

Trong hình 1.4 (b), thì có hai lưỡng cực đối diện nhau (tức là được nhúng vào trong trường ở hai chỗ khác nhau)và chịu ảnh hưởng của từ trường khác

6

nhau Do đó, lực tổng hợp với độ lớn và hướng phụ thuộc vào sự định hướng của lưỡng cực Tổng lực có thể hướng lên hay hướng xuống tùy thuộc vào vị tí của lưỡng cực.

Bây giờ, ta tính lực gây ra bởi sự lệch đó Thế năng của một lưỡng cực đặt trong từ trường B được cho bởi công thức:

U = -µ.B = -µ B cos θ (trong đó θ là góc giữa hướng của µ và B), lực tổng hợp Fz

1.3 .2 Hiện tượng và giải thích

a) Hiện tượng quan sát:

Khi bắn chùm tia bạc đi qua khe chuẩn trực rồi qua từ trường không đều thì ta thấy từ một chùm tia bạc tách ra thành hai chùm tia trên tấm phát hiện thủy tinh

b) Giải thích:

Chùm tia bạc được phóng qua một từ trường không đều, vuông góc với hướng chuyển động của chùm Trong trường hợp khi từ trường chưa được tạo ra, trên màn phải thấy vết của chùm tạo ra qua các khe S1, S2 Sau khi có từ trường, một lực xác định Fz = µz dB/dz tác dụng lên các momen từ của các điện tử Theo

lý thuyết cổ điển,tương tác này phải cho ta sự mở rộng vết của chùm Các hướng của mômen từ của điện tử đều được cho phép nên phân bố cường độ của chùm phải liên tục Còn trong lý thuyết lượng tử, chỉ một số hữu hạn các hướng của của mômen từ trong từ trường được cho phép mà thôi, từ đó ta cũng có một số hữu hạn các chùm thành phần được chia ra từ chùm chính Trong thí nghiệm của Stern-Gerlach với chùm các nguyên tử bạc, người ta đã thu được hai chùm thành phần Trong trạng thái cơ bản của bạc, bốn lớp được lấp đầy hoàn toàn, còn trong lớp thứ năm ta có môt điện tử Mômen động lượng toàn phần của các điện tử từ các lớp bị lấp đầy bằng không và mômen động lượng của điện tử ở lớp hóa trị quyết định cho giá trị của mômen động lượng quỹ đạo toàn phần, mômen động lượng toàn phần có giá trị J=l+S, trong đó, l là mômen động lượng quỹ đạo, S là mômen động lượng spin của electron Trạng thái cơ bản của điện tử này có l=0, vậy ta không có sự tách chùm do lượng tử hóa liên quan với mômen động lượng quỹ đạo, vì lúc đó ml=0 Vậy chỉ có spin của điện tử xác định cho mômen động lượng và momen từ của toàn bộ nguyên tử ⇒ có sự tồn tại của spin

1.3 .3 Kết quả thực nghiệm:

Khi ngắt nam châm điện sẽ không có sự lệch của các nguyên tử và chùm nguyên tử sẽ tạo thành một vạch hẹp trên tấm phát hiện.Tuy nhiên, khi bật nam châm điện, các lực làm lệch mạnh sẽ bắt đầu có tác dụng Lực này sẽ có hai khả năng, tùy thuộc vào chỗ có tồn tại sự lượng tử hóa không gian hay không: Nếu không có sự lượng tử hóa không gian, các lưỡng cực từ nguyên tử sẽ có một phân

bố góc liên tục đối với hướng của từ trường và chùm tia sẽ đơn giản bị giãn rộng Ngược lại, nếu có sự lượng tử hóa không gian, thì sẽ chỉ có một tập hợp gián đoạn các giá trị của θ Điều này có nghĩa là chỉ có một tập hợp gián đoạn các giá trị đối với lực làm lệch F và chùm tia sẽ bị tách thành một số thành phần gián đoạn Chùm tia không giãn rộng ra mà tách thành hai chùm tia con Sự lượng tử hóa không gian đúng là có tồn tại Stern và Gerlach đã kết thúc bài báo về công trình của mình bằng mấy lời sau: “ Chúng tôi xem kết quả này như là một sự kiểm chứng trực tiếp bằng thực nghiệm sự lượng tử hóa không gian trong từ trường” Các nhà vật lý khắp nơi cũng

10

HÌNH 1.6 Kết quả của thí nghiệm Stern-Gerlach cho thấy bạc được bám trên tấ thủy tinh phát hiện

với từ trường (a) tắt và (b) đóng Chùm tia được tách thành hai chùm con dưới tác dụng của từ trường Thanh nằm ngang ở bên dưới trong hình (b) biểu diễn chiều dài bằng 1 mm.

Một hạt cơ bản như electron có thể quay trên một quỹ đạo xung quanh hạt nhân như Trái Đất quay quanh Mặt Trời Chỉ có điều khác, cách miêu tả sự tự quay của electron khác với cách miêu tả sự tự quay của Trái Đất khi một đối tượng quay quanh mình nó, tất cả các điểm trên trục quay, giống như tâm điểm của một đĩa quay, đều không chuyển động Tuy nhiên, nếu một vật nào đó có dạng điểm, thì nò sẽ không có các điểm khác ngoài bất kì trục quay nào Và như vậy, sẽ không có chuyển động tự quay của một hạt điểm Tuy nhiên, suy luận trên

đã bị nghi ngờ bởi những nhà vật lý lượng tử

Hình 2.1 Mô hình spin của electron Năm 1925, hai nhà vật lý người Hà Lan là George Uhlenbeck và Samuel Goudsmit4 đã nhận thấy rằng một khối lượng lớn các số liệu khó hiểu liên quan

Từ trường

Spin tự quay

thích được nếu như giả thuyết rằng electron có những tính chất từ rất đặc biệt Trước đó, nhà vật lý người Pháp, Andre Marie đã chứng tỏ được rằng các điện tích chuyển động sinh ra từ trường, George Uhlenbeck và Samuel Goudmit đi theo hướng đó và đã phát hiện ra chỉ có một loại chuyển động đặc biệt của electron mới tạo ra những tính chất phù hợp các số liệu đo được: đó chuyển động

tự quay, hay còn gọi là spin Hai ông đã viết một bài báo cáo ngắn, với kết luận

“các electron vừa quay vừa tự quay” Theo bài báo cáo ngắn trên, mỗi electon trong vũ trụ luôn luôn và mãi mãi quay với một tốc độ cố định và không bao giờ thay đổi Spin của electron không phải là một trạng thái chuyển động với một trạng thái nhất thời như những vật quen thuộc mà vì một nguyên nhân nào đó khiến cho chúng tự quay Spin của electron là một tính chất nội tại, cố hữu giống như khối lượng và điện tích của nó Nếu một electron không có spin thì nó không còn là một electron nữa

Trước đây khi giải phương trình Schrodinger thì ta tìm được các giá trị của n, l, ml Ứng với mỗi bộ số (n, l, ml) ta xác định được một trạng thái chuyển động của một electron Nhưng khi ta quan sát kĩ các vạch phổ thì thấy rằng vạch phổ gồm hai hoặc nhiều hơn các vạch sát sít nhau được gọi là cấu trúc tinh tế của vạch phổ Cấu trúc này không thể được mô tả bằng ba số lượng tử n, l, ml Cùng thời gian đó, một cách hoàn toàn độc lập Dirac5 cũng nghiên cứu về vấn đề này

và ông đã đưa ra một phương trình mang tên ông-phương trình Dirac Thay cho biểu thức năng lượng cổ điển trong phương trình Schrodinger, Dirac đã dùng công thức năng lượng tương đối tính của Einstein E=mc2 để lập một phương trình

cơ bản mới gọi là phương trình Dirac Phương trình đó có dạng (iћγμ∂μ – mc)Ψ(x)

= 0.Hằng số Planck h = 2πћ tượng trưng cho lượng tử Vận tốc ánh sáng c, thời gian t và không gian ba chiều x, y, z gói ghém trong bốn tọa độ không-thời gian

xμ (μ = 0,1,2,3), x0 = ct, x1 = x, x2 = y, x3 = z và đạo hàm ∂μ ≡ ∂/∂xμ đối với xμ, tất

cả là biểu tượng của thuyết tương đối hẹp Phương trình này là sự kết hợp giữa

12