تم تصميم تجربة جيرلاخ الصارمة في الأصل لإثبات تكميم الفضاء المرتبط بالانتخابات المدارية في ألومز باعتبار أن أ في التجربة هو شعاع من ذرات الفضة (Ag) من فرن مغناطيسي تم تمريره من خلال حقل غير منتظم، حيث تم إنشاؤه في الفجوة بين وجوه قطب المغناطيس الكبير.
تجربة شتيرن جيرلاخ في فيزياء الكم
أكدت تجربة شتيرن جيرلاخ أن الاتجاه المكاني للزخم الزاوي معروف كميًا، وهكذا توضح أن نظام المقياس الذري له ميزات كمومية جوهرية، في التجربة الأصلية تم بعث ذرات الفضة عبر مجال مغناطيسي يتغير مكانيًا، مما عمل ذلك على انحرافها قبل أن تصطدم بشاشة كاشف مثل شريحة زجاجية.
تنحرف الجسيمات ذات العزم المغناطيسي غير الصفري عن مسارها بسبب تدرج المجال المغناطيسي عن مسار مستقيم، حيث تبين الشاشة عن نقاط تراكم منفصلة بدلاً من التوزيع المستمر بسبب دورانها الكمي، تاريخياً كانت هذه التجربة صارمة في اثبات حقيقة تكميم الزخم الزاوي لعلماء الفيزياء في كل أنظمة المقياس الذري.
وصف تجربة شتيرن جيرلاخ
- تظهر النتائج في التجربة أن الجسيمات تمتلك زخمًا زاويًا جوهريًا يشبه إلى حد كبير الزخم الزاوي لجسم يدور بشكل كلاسيكي، لكن هذا لا يأخذ سوى قيم كمية معينة، حيث إن النتيجة المهمة الأخرى هي أنه يمكن قياس عنصر واحد فقط من دوران الجسيم في وقت واحد، مما يعني أن قياس الدوران على طول المحور z يدمر المعلومات حول دوران الجسيم على طول المحور x و y.
- تجرى التجربة عادة باستخدام جسيمات متعادلة كهربيًا مثل ذرات الفضة، وهذا يتجنب الانحراف الكبير في مسار الجسيم المشحون الذي يتحرك عبر مجال مغناطيسي ويسمح للتأثيرات المعتمدة على الدوران بالسيطرة، وإذا تم التعامل مع الجسيم على أنه ثنائي القطب المغناطيسي الكلاسيكي فسوف يتحرك في مجال مغناطيسي؛ بسبب عزم الدوران الذي يمارسه المجال المغناطيسي على ثنائي القطب.
- إذا تحركت خلال مجال مغناطيسي متجانس فإن القوى المبذولة على الأطراف المتقابلة من ثنائي القطب تلغي بعضها البعض ولا يتأثر مسار الجسيم، ومع ذلك إذا كان المجال المغناطيسي غير متجانس فإن القوة الموجودة على أحد طرفي ثنائي القطب ستكون أكبر قليلاً من القوة المقابلة على الطرف الآخر، بحيث يكون هناك صافي قوة ينحرف مسار الجسيم، وإذا كانت الجسيمات عبارة عن كائنات غزل كلاسيكية، فيمكن للمرء أن يتوقع أن يكون توزيع متجهات الزخم الزاوي المغزلي عشوائيًا ومستمر.
- سينحرف كل جسيم بمقدار يتناسب مع المنتج النقطي لحظته المغناطيسية مع تدرج المجال الخارجي، مما ينتج عنه بعض توزيع الكثافة على شاشة الكاشف، وبدلاً من ذلك تنحرف الجسيمات التي تمر عبر جهاز شتيرن جيرلاخ إما لأعلى أو لأسفل بمقدار معين، وكان هذا قياسًا للكم الذي يمكن ملاحظته والمعروف الآن باسم الزخم الزاوي المغزلي، والذي أظهر النتائج المحتملة للقياس، حيث يكون للقيم المرصود مجموعة منفصلة من القيم أو الطيف النقطي.
- وعلى الرغم من أن بعض الظواهر الكمومية المنفصلة مثل الأطياف الذرية قد لوحظت قبل ذلك بكثير، إلا أن تجربة ستيرن جيرلاخ سمحت للعلماء بمراقبة الفصل بين الحالات الكمومية المنفصلة لأول مرة في تاريخ العلم، ومن الناحية النظرية فإن الزخم الزاوي الكمومي من أي نوع له طيف منفصل والذي يتم التعبير عنه أحيانًا باختصار باسم الزخم الزاوي كميًا.
أهمية تجربة ستيرن – جيرلاخ
أثرت تجربة ستيرن-جيرلاخ بشدة على التطورات اللاحقة في الفيزياء الحديثة:- أظهر العلماء باستخدام تقنيات مماثلة أن نوى بعض الذرات لها أيضًا زخم زاوي مُكمَّم، حيث إن تفاعل هذا الزخم الزاوي النووي مع دوران الإلكترون هو المسؤول عن البنية فائقة الدقة للخطوط الطيفية.
- في الثلاثينيات من القرن الماضي وباستخدام نسخة موسعة من جهاز ستيرن جيرلاخ أظهر إيزيدور رابي وزملاؤه أنه باستخدام مجال مغناطيسي متغير، حيث يمكن للمرء أن يجبر العزم المغناطيسي على الانتقال من حالة إلى أخرى، إذ بلغت سلسلة التجارب ذروتها في عام 1937 عندما اكتشفوا أن انتقالات الحالة يمكن أن تحدث باستخدام حقول متغيرة بمرور الوقت أو حقول الترددات الراديوية
- ما يسمى تذبذب ربيع هو آلية العمل لمعدات التصوير بالرنين المغناطيسي الموجودة في المستشفيات.
- قام نورمان إف رامزي فيما بعد بتعديل جهاز رابي لزيادة وقت التفاعل مع المجال، حيث أن الحساسية الشديدة الناتجة عن تردد الإشعاع تجعل هذا مفيدًا جدًا للحفاظ على دقة الوقت ولا تزال تستخدم حتى اليوم في الساعات الذرية.
- في أوائل الستينيات استخدم رامزي ودانيال كليبنر نظام ستيرن جيرلاخ لإنتاج شعاع من الهيدروجين المستقطب، كمصدر للطاقة لمازر الهيدروجين، والذي لا يزال أحد أكثر معايير التردد شيوعًا.
- الملاحظة المباشرة للدوران هي أكثر دليل مباشر على التكميم في ميكانيكا الكم.
- أصبحت تجربة شتيرن جيرلاخ نموذجًا أوليًا للقياس الكمي، مما يدل على ملاحظة قيمة واحدة حقيقية لخاصية فيزيائية غير معروفة في البداية فعند دخول مغناطيس شتيرن جيرلاخ، حيث يكون اتجاه العزم المغناطيسي لذرة الفضة غير محدد، ولكن يُلاحظ أنه إما موازٍ أو مضاد موازٍ لاتجاه المجال المغناطيسي B، فعند مخرج المغناطيس هناك ذرات لها لحظة مغناطيسية موازية لـ B.
- تم تسريع هذه الذرات في هذا الاتجاه بواسطة تدرج المجال المغناطيسي، وتم تسريع أولئك الذين لديهم لحظات غير متوازية في الاتجاه المعاكس، لذلك فإن كل ذرة تعبر المغناطيس ستضرب الكاشف في نقطة واحدة فقط من النقطتين.
- وفقًا لنظرية القياس الكمي فإن الدالة الموجية التي تمثل العزم المغناطيسي للذرة تكون في تراكب لهذين الاتجاهين اللذين يدخلان المغناطيس، ويتم تسجيل قيمة ذاتية أحادية الاتجاه تدور عندما يتم نقل كمية الزخم من المجال المغناطيسي إلى الذرة، مما يؤدي إلى التسارع والإزاحة في اتجاه الزخم هذا.
تجربة شتيرن جيرلاخ وهي تجربة تبين الاتجاه المكاني المقيد للجسيمات الذرية ودون الذرية التي تتمي بالقطبية المغناطيسية، والتي أجريت في أوائل العشرينات من القرن الماضي على يد الفيزيائيين الألمان أوتو ستيرن ووالتر جيرلاخ.
