Stern-Gerlach
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DAS STERN-GERLACHEXPERIMENT JOSEF PÜRMAYR VALENTIN SIEHS DOMINIK SENK GLIEDERUNG Überblick und Historisches Erwartungen Versuchsaufbau Ergebnisse Erkenntnisse STERN-GERLACHEXPERIMENT • 1922 • Otto Stern und Walther Gerlach • Einer der wichtigsten Meilensteine auf dem Weg zur modernen Quantenphysik • Beweist die Quantisierung des Elektronenspins • Heute grundlegendes Experiment in der Physik OTTO STERN †1969 in den USA *1888 in Deutschland • Physikalische Chemie Studierte in München Freiburg Breslau Forschte und arbeitete in Prag Zürich Hamburg Frankfurt Rostock Pittsburgh Nobelpreis für Physik (1943): • Molekularstrahl-Methode • Magnetisches Moment des Protons OTTO STERN 2 von links: Otto Otto Stern mitStern Lise Meitner 3 von links: Albert Einstein WALTHER GERLACH *1889 Studierte in Tübingen †1969 Forschte und arbeitete in Göttingen Frankfurt Tübingen München Arbeitete während des 2. Weltkrieges für das deutsche Uranprojekt und wurde nach dem Krieg von den Alliierten in Farm Hall interniert. Gerlach war ein Unterzeichner „Erklärung der Göttinger 18“ worin er sich gegen eine atomare Bewaffnung der Bundeswehr wandte. WOLFGANG PAULI *1900 in Wien †1958 in der Schweiz studierte Physik in arbeitete in München Göttingen Kopenhagen Hamburg (mit Otto Stern) Zürich Princeton Nobelpreis 1945 für das nach ihm formulierte Pauli-Prinzip. STERN UND PAULI WO UND WANN? • Februar 1922 • Frankfurt am Main Robert-Meyer-Straße im Gebäude des physikalischen Vereins. • Gerlach arbeitete damals dort als außerordentlicher Professor. MOTIVATION WARUM WURDE DAS EXPERIMENT DURCHGEFÜHRT? • Das Bohr‘sche Atommodel (1913) sagte voraus, dass der Drehimpuls quantisiert sein sollte • Das bedeutet, dass LZ nur diskrete Werte annehmen kann: |L| = nħ • Klassische Theorie besagt das LZ jeden beliebigen Wert zwischen −|L| und +|L| annehmen kann • Welche Theorie ist richtig? THEORIE • Man benötigt einen Versuch der die kontinuierliche oder diskrete Verteilung eines Drehimpulses nachweist • Man weiß, dass der Drehimpuls eines Elektrons ein magnetisches Moment erzeugt • Dieses Moment müsste sich in einem magnetischen Feld nachweisen lassen • Es sollte sich eine Verteilung einstellen, die eine der beiden Theorien beweist. VERSUCHSAUFBAU KLASSISCHE ERWARTUNGEN Elektronen haben einen Drehimpuls L, damit verbunden auch ein magnetisches Moment M • 𝑀 =𝛾∗𝐿 = 𝑔∗𝑒 2∗𝑚 ∗𝐿 Krafteinwirkung in einem äußeren Magnetfeld B • 𝐹 = −𝑀 ∗ 𝑔𝑟𝑎𝑑 𝐵 • 𝐹𝑧 = −𝑀𝑧 ∗ 𝑑𝐵 𝑑𝑧 M kann beliebige Winkel zum Magnetfeld haben • Kontinuierliche Ablenkung QUANTENMECHANISC HE ERWARTUNGEN Magnetisches Bahnmoment ist gegeben durch Grundzustand des Silberatoms ist s- Zustand mit l=0 Kein magnetisches Bahnmoment zusätzliches magnetisches Moment? MESSERGEBNIS MESSERGEBNIS ZUM VERGLEICH Experiment FOLGERUNGEN Der Drehimpuls kann nur zwei diskrete Werte annehmen WOLFGANG PAULI „klassisch nicht erklärbar“ • Elektron mit Masse m, Radius r und Drehgeschwindigkeit v • 𝐿 = 𝑟∗𝑚∗𝑣 ≈ℏ • Wenn 𝑟 ≤ 10−15 𝑚 ℏ • 𝑣 ≈ 𝑚∗𝑟 ≫ 𝑐 dem Elektron kann eine weitere Quantenzahl zugeordnet werden, diese Quantenzahl kann zwei Werte annehmen GOUDSMITH & UHLENBECK Es gibt eine vierte Quantenzahl diese Quantenzahl beschreibt den Eigendrehimpuls des Elektrons, den Spin Der Spin eines Elektrons ist entweder + ½ oder – ½ • „Spin up“ oder „Spin down“ Der Spin hat kein klassisches Analogon FINIS EST DANKE FÜR EURE AUFMERKSAMKEIT
