التجربة الثورية في ميكانيكا الكم: تجربة شتيرن-غيرلاخ
أحدثت تجربة شتيرن-غيرلاخ ثورة في ميكانيكا الكم، إذ أظهرت أن الكم المكاني موجود بالفعل وهو ظاهرة لا يمكن استيعابها إلا بميكانيكا الكم وسنتعرف في مقالنا على تلك التجربة لكن دعونا أولا نأخذ نبذة عن علمائها…
* (لمعرفة بعض من ظواهر ميكانيكا الكم تابع مقال ما الفرق بين البت الكمي والبت الكلاسيكي؟)
محتويات المقال :
من هو «أوتو شتيرن-Oto Stern»؟
هو عالم ألماني، ولد في عام 1888 في Żary وهي مدينة غرب بولندا وتوفي في 1969 في Berkeley، حاز على جائزة نوبل للفيزياء عام 1943.
مراحل في حياة شتيرن
كان يدرس مبكرًا نظرية الديناميكا الحرارية الإحصائية وأصبح محاضرًا في الفيزياء النظرية بجامعة فرانكفورت ومن ثم أستاذًا في الكيمياء الفيزيائية في جامعة هامبورغ.
حينها أجرى شتيرن ووالتر جيرلاخ تجربتهما التاريخية في هامبورغ في أوائل عشرينيات القرن الماضي.
اضطر شتيرن في عام 1933 للمغادرة من ألمانيا بسبب وصول النازيين إلى السلطة وذهب إلى الولايات المتحدة. إذ أصبح باحثًا في الفيزياء في معهد كارنيجي للتكنولوجيا ومكث هناك لحين تقاعده عام 1945.
حصل على جائزة نوبل عام 1943 لدوره في التجربة الشهيرة شتيرن-غيرلاخ في حين استُبعد زميله والتر غيرلاخ لأنه استمر في العمل مع النازيين أثناء الحرب، وأحدثت تجربتهما ثورة في ميكانيكا الكم. [1]
من هو «والتر غيرلاخ-Walther Gerlach»؟
هو عالم فيزيائي ألماني ولد في 1889 في Biebrich am Rhein وتوفي في 1979 في Munich. اشتهر بشكل خاص بعمله مع أوتو شتيرن.
مراحل في حياة غيرلاخ
تلقى تعليمه في جامعة توبنغن، إذ أصبح محاضرًا عام 1916 وبعد فترات في غوتنغن وفرانكفورت عاد إلى توبنغن كأستاذ في الفيزياء في عام 1925. ومن ثم أستاذ في الفيزياء في ميونخ من عام 1929 إلى عام 1957.
قدم مساهمات عدة في مجالات الإشعاع والتحليل الطيفي ونظرية الكم وله عدة كتب مثل «Magnetismus (1931), Include Grundlagen der Quantentheorie (1921), Humaniora und Natur (1973)». [2]
ما هي تجربة شتيرن-غيرلاخ ببساطة؟
يدور الإلكترون حول النواة وينتج عنه تيار وتتصرف الذرة كما لو كانت مغناطيسيًا صغيرًا! أجرى كل من العالمان أوتو شتيرن ووالتر غيرلاخ تجرية في عام 1922 هدفها توضيح الاتجاه المكاني للجسيمات الذرية ودون الذرية ذات القطبية المغناطيسية. (أي إثبات أن الحركة المدارية للإلكترون كمية).
ما الذي استخدماه شتيرن وغيرلاخ في تجربتهما؟
•فرن كهربائي
•مجال مغناطيسي غير منتظم
•عينة من الفضة
•لوح زجاجي
خطوات التجربة
تم تسخين عينة الفضة في فرن كهربائي، لتنطلق حزمة من ذرات الفضة. وُجهت تلك الحزمة -استخدمت ذرات الفضة لأن غلافها الخارجي يحتوى على إلكترون واحد فقط- عبر مجموعة من الشقوق المحاذية. ومن ثم عبرت مجال مغناطيسي غير منتظم (كان القطب الشمالي مددب لتصبح شدة المجال المغناطيسي كبيرة والجنوبي مقعر لتقل عنده شدة المجال المغناطيسي). [3]
ومن ثم تترسب ذرات الفضة على اللوح الزجاجي ويحدث ما هو ليس متوقع؟
فيما خالف تلك التجربة الفيزياء الكلاسيكية؟
تعد ذرة الفضة محايدة كهربيًا فهي مغناطيس ذري يتسبب في دوران إلكترون غير مزدوج في أن ينشأ قطب شمالي وقطب جنوبي مثل إبرة البوصلة تمامًا. كذلك في المجال المغناطيسي غير المنتظم تكون القوى الموجودة على القطبين غير متساوية. فعند توجيه الحزمة تترسب ذرات الفضة في منطقتين فقط كما موضح بالشكل.
هذا ما خالف الفيزياء الكلاسيكية لأنه توقع العلماء أن تتوزع ذرات الفضة بشكل عشوائي. من خلال تلك التجربة توصل العلماء إلى أن للإلكترون حركة مدارية كمية حول النواة. وآنذاك لم يكن معروف عدد الكم المغزلي وكان معروف العزم المغناطيسي فقط، إذ تحتوى ذرة الفضة على 47 إلكترون وفي غلافها الخارجي 5s يظهر الـ Spin حيث جميع إلكتروناتها عزمها المغناطيسي صفر وذلك لإكتمال جميع الأغلفة عدا الذرة الأخيرة، فتتصرف الذرة كجسم عدده الكمي مقداره 1/2. [3,4]
تطبيقات تجربة شتيرن-غيرلاخ
طُبقت تجربة شتيرن-غيرلاخ لدراسة النيتروجين النشط وكذلك كان لها الفضل في اكتشاف الرنين المغناطيسي على يد العالم إيزيدو رابي.
المصادر
سعدنا بزيارتك، جميع مقالات الموقع هي ملك موقع الأكاديمية بوست ولا يحق لأي شخص أو جهة استخدامها دون الإشارة إليها كمصدر. تعمل إدارة الموقع على إدارة عملية كتابة المحتوى العلمي دون تدخل مباشر في أسلوب الكاتب، مما يحمل الكاتب المسؤولية عن مدى دقة وسلامة ما يكتب.
التعليقات :