اميرة الكبرياء
عضو برونزي
- إنضم
- 21 يونيو 2019
- المشاركات
- 541
- الإقامة
- تلمسان
- هواياتك
-
المطالعة . الدراسة. متابعة المسلسلات التركية. الرياضيات
- وظيفتك
-
طالبة قسم نهائي شعبة رياضيات كاتبة للمقالات في اكبر موقع للكتاب العرب
https://jawak.com/author/Temaben
- شعارك
-
Make your pride the crown of your head
قبل نحو شهر شاهدت فيلما لانمي المحقق كونان و عجبت حين قامت شخصية اكاي باطلاق رصاصة من الفضة في قطار يتحرك ضمن مجال مغناطيسي فانحرفت الرضاصة لتصيب القاتل حسنا مثلكم قلت هذا مجردخيال ل اقل و لا اكثر لكنني بحثت في الامر ووجدت انه حقيقي وان هذه تجربة هامة في ميكانيكا الكم عن انحراف الجسيمات الأولية عند مروره خلال مجال مغناطيسي غير متجانس بسبب العزم المغناطيسي للجسيم. أجريت التجربة في عام 1922 وتوصل العلماء بعد ذلك على أساسها إلى معرفة أن للإلكترون عزم مغزلي كمومي مقداره 1/2 ، يسمى Spin.
منذ زمن أمبير فصاعدًا ، كان يُنظر إلى التيارات الجزيئية على أنها تؤدي إلى نشوء لحظات مغناطيسية. في النموذج النووي للذرة ، يدور الإلكترون حول النواة. ينتج عن هذا التيار الدائري لحظة مغناطيسية. تتصرف الذرة كما لو كانت مغناطيسًا صغيرًا. في تجربة Stern-Gerlach ، مرت شعاع من ذرات الفضة عبر مجال مغناطيسي غير متجانس (الشكل 12). في نظرية لارمور الكلاسيكية لم يكن هناك اتجاه تفضيلي لاتجاه اللحظة المغناطيسية ، ولذلك توقع المرء أن شعاع ذرات الفضة سيظهر حدًا أقصى في مركز الحزمة. في نظرية الكم لسومرفيلد ، فإن الذرة في حالة ذات زخم زاوي يساوي واحدًا (L = 1) سيكون لها عزم مغناطيسي مكون من عنصرين متعلقين باتجاه المجال المغناطيسي ، ± A / 4 Mi. (جادل بور بأنه يُسمح فقط بمكونين مكانيين.) في مجال مغناطيسي غير متجانس ، H ، القوة المؤثرة على العزم المغناطيسي μ ستكون μzx (تدرج المجال المغناطيسي في اتجاه z) ، حيث μz = ± eh / 4me ، حيث e هي شحنة الإلكترون ، و i الكتلة ، و h ثابت بلانك ، و z هو اتجاه المجال. وبالتالي ، اعتمادًا على اتجاه اللحظة المغناطيسية بالنسبة إلى المجال المغناطيسي ، ستكون هناك إما قوة جذابة أو دافعة ، وسوف تنقسم الحزمة إلى مكونين ، مما يدل على التكمية المكانية. سيكون هناك حد أدنى في وسط الحزمة. "وفقًا لنظرية الكم ، يمكن أن تكون μz فقط ± (e / 2me) (h / 2π). في هذه الحالة ، سيتم تقسيم البقعة الموجودة على لوحة الاستقبال إلى جزأين ، كل منهما بنفس الحجم ولكن نصف كثافة البقعة الأصلية "(ستيرن 1921 ، ص. 252 ، جي إم) هذا الاختلاف في التنبؤ بين نظريتي لارمور وسومرفيلد كان ما خطط ستيرن وجيرلاخ لاستخدامه للتمييز بين النظريتين. لاحظ ستيرن أن "التجربة ، إذا أمكن إجراؤها ، [ستقود] إلى قرار واضح بين نظرية الكم والرؤية الكلاسيكية" (ستيرن 1921 ، FW).
أ
عملت نظرية سومرفيلد أيضًا كنظرية تمكينية للتجربة. لقد قدمت تقديرًا لحجم العزم المغناطيسي للذرات حتى يتمكن ستيرن من بدء الحسابات لمعرفة ما إذا كانت التجربة ممكنة. حسب ستيرن ، على سبيل المثال ، أن تدرج المجال المغناطيسي البالغ 104 جاوس لكل سنتيمتر سيكون كافيًا لإنتاج انحرافات من شأنها أن تعطي فواصل يمكن اكتشافها لمكونات الحزمة. سأل غيرلاخ عما إذا كان بإمكانه إنتاج مثل هذا التدرج. أجاب غيرلاخ بالإيجاب ، وقال إنه يمكن أن يفعل ما هو أفضل. بدت التجربة جديرة بالاهتمام. يظهر رسم تخطيطي للجهاز في الشكل 12. تمر ذرات الفضة عبر مجال مغناطيسي غير متجانس. إذا تم تحديد حجم الحزمة مكانيًا ، كما تنبأ سومرفيلد ، فيجب ملاحظة نقطتين على الشاشة. (يوضح الرسم البياني تقسيم الحزمة إلى ثلاثة مكونات ، وهو أمر متوقع في نظرية الكم الحديثة لذرة ذات زخم زاوي واحد.) لقد لاحظت أن نظرية سومرفيلد كانت غير صحيحة ، مما يشير إلى أن نظرية التمكين لا تحتاج إلى كن صادقًا لتكون مفيدًا.
لم تظهر النتيجة الأولية التي أبلغ عنها ستيرن وجيرلاخ انقسام الحزمة إلى مكونات. ومع ذلك ، فقد أظهر بقعة شعاع ممتدة. وخلصوا إلى أنه على الرغم من أنهم لم يظهروا تكميمًا مكانيًا ، إلا أنهم قدموا "دليلًا على أن ذرة الفضة تمتلك عزمًا مغناطيسيًا". أجرى ستيرن وجيرلاخ تحسينات على الجهاز ، لا سيما في استبدال شق شعاع دائري بشق مستطيل يعطي كثافة أعلى بكثير. النتائج موضحة في الشكل 13 (غيرلاخ وستيرن 1922 أ). يوجد حد أدنى من الشدة في وسط النموذج ، ويمكن رؤية فصل الحزمة إلى مكونين بوضوح. يبدو أن هذه النتيجة تؤكد تنبؤ Sommerfeld النظري الكمومي للتكميم المكاني. لاحظ باولي ، الفيزيائي سيئ السمعة ، "نأمل الآن أن يقتنع حتى ستيرن المتشكك بشأن التكميم الاتجاهي" (في رسالة من باولي إلى غيرلاخ في 17 فبراير 1922). شارك مجتمع الفيزياء وجهة نظر باولي. ومع ذلك ، فإن نتيجة ستيرن غيرلاخ قد طرحت مشكلة بالنسبة لنظرية بوهر-سومرفيلد للذرة. افترض ستيرن وجيرلاخ أن ذرات الفضة كانت في حالة من الزخم الزاوي بزخم زاوي واحد (L = 1). في الواقع ، الذرات في حالة L = 0 ، لذلك لا يُتوقع انقسام الحزمة في النظرية الكلاسيكية أو نظرية الكم. لم يفكر شتيرن وجيرلاخ في هذا الاحتمال. إذا فعلوا ذلك ، فربما لم يكونوا قد أجروا التجربة. توقعت نظرية كمومية لاحقة أو جديدة طورها Heisenberg و Schrödinger وآخرون أنه بالنسبة للحالة L = 1 ، يجب أن تنقسم الحزمة إلى ثلاثة مكونات
n في الشكل 12. ستكون العزم المغناطيسي للذرة إما 0 أو ± eh / (4πxm). وبالتالي ، إذا كانت ذرات الفضة في حالة L = 1 كما افترض Stern و Gerlach ، فإن نتيجتهما ، التي تظهر مكونين شعاعين ، تطرح أيضًا مشكلة لنظرية الكم الجديدة. تم حل هذا عندما اقترح Uhlenbeck و Goudsmit (1925 ، 1926) أن للإلكترون زخمًا زاويًا جوهريًا أو دورانًا يساوي h / 4π. هذا مشابه للأرض التي لها زخم زاوي مداري حول الشمس وأيضًا زخم زاوي جوهري بسبب دورانها على محورها. في الذرة ، سيكون للإلكترون زخم زاوي إجمالي J = L + S ، حيث L هو الزخم الزاوي المداري و S هو دوران الإلكترون. بالنسبة لذرات الفضة في حالة L = 0 ، سيكون للإلكترون زخمه الزاوي المغزلي فقط ، ويتوقع المرء أن تنقسم الحزمة إلى مكونين. اقترح Goudsmit و Uhlenbeck فكرة دوران الإلكترون لشرح الميزات في الأطياف الذرية مثل تأثير زيمان الشاذ ، وتقسيم الخطوط الطيفية في مجال مغناطيسي إلى مكونات أكثر مما يمكن أن تستوعبه نظرية بور-سومرفيلد للذرة. على الرغم من أن نتائج Stern-Gerlach كانت معروفة ، وكانت ستوفر بالتأكيد دعمًا قويًا لفكرة دوران الإلكترون ، لم يشر Goudsmit و Uhlenbeck إلى النتيجة.
اعتبرت تجربة ستيرن غيرلاخ في البداية بمثابة اختبار حاسم بين النظرية الكلاسيكية للذرة ونظرية بور-سومرفيلد. بمعنى أنه كان كذلك ، لأنه أظهر بوضوح أن التكميم المكاني موجود ، ظاهرة لا يمكن استيعابها إلا ضمن نظرية ميكانيكا الكم. تقرر بين فئتين من النظريات ، الكلاسيكية ونظريات ميكانيكا الكم. فيما يتعلق بنظرية الكم الخاصة لبور وسومرفيلد ، مع ذلك ، لم تكن حاسمة ، على الرغم من أنها كانت تعتبر كذلك في ذلك الوقت ، لأن هذه النظرية توقعت عدم انقسام شعاع من ذرات الفضة في الحالة الأرضية (L = 0 ). تم تطبيق النظرية بشكل خاطئ. كانت النتيجة المكونة من عنصرين مشكلة أيضًا بالنسبة لنظرية الكم الجديدة ، والتي لا تتنبأ أيضًا بعدم الانقسام لحالة الزخم الزاوي صفر وثلاثة مكونات للحالة L = 1. فقط بعد اقتراح دوران الإلكترون أكدت نتيجة Stern-Gerlach النظرية الجديدة.
على الرغم من أن تفسير النتيجة التجريبية كان غير صحيح لبعض الوقت ، إلا أن النتيجة نفسها ظلت قوية تمامًا من خلال تغيير النظرية من نظرية الكم القديمة إلى النظرية الكمومية الجديدة. من المهم أن نتذكر أن النتائج التجريبية لا تتغير عندما تتغير النظرية المقبولة ، على الرغم من أنه بالتأكيد ، كما رأينا ، قد يتغير تفسيرها. أكد غيرلاخ وشتيرن هذه النقطة بأنفسهم.
بصرف النظر عن أي نظرية ، يمكن ذكرها ، كنتيجة خالصة للتجربة ، وبقدر ما تسمح لنا دقة تجاربنا بقول ذلك ، فإن ذرات الفضة في المجال المغناطيسي لها قيمتان منفصلتان فقط لمكون المكون عزم مغناطيسي في اتجاه شدة المجال ؛ كلاهما له نفس القيمة المطلقة مع كل نصف من الذرات له علامة موجبة وسالبة على التوالي (Gerlach and Stern 1924، pp.690–691، FW)
فيما نستعمل هذه التجربة
حسنا بالطبع لن تستعمل لقتل مجرم في قطار بواسطة رصاصة فضية
يمر شعاع الذرات فيها خلال مغناطيس رباعي الأقطاب أو سداسي الأقطاب بدلا من قطبين إثنين. أمثال ذلك المغناطيس تركز الذرات ذات اتجاه معين لعزم الدوران في وسط محور الاتجاه، بينما الذرات الأخرى فهي لا تركز وتنتشر حول الشعاع المركز . ومن هذا الشعاع المركز يمكن إنتاج شعاع أيونات مستقطبة عن طريق تمريره خلال مجال مغناطيسي خارجي ؛ باستغلال ظاهرة انقسام الشعاع تحت فعل البنية الفائقة الدقة للذرات.
أ
عملت نظرية سومرفيلد أيضًا كنظرية تمكينية للتجربة. لقد قدمت تقديرًا لحجم العزم المغناطيسي للذرات حتى يتمكن ستيرن من بدء الحسابات لمعرفة ما إذا كانت التجربة ممكنة. حسب ستيرن ، على سبيل المثال ، أن تدرج المجال المغناطيسي البالغ 104 جاوس لكل سنتيمتر سيكون كافيًا لإنتاج انحرافات من شأنها أن تعطي فواصل يمكن اكتشافها لمكونات الحزمة. سأل غيرلاخ عما إذا كان بإمكانه إنتاج مثل هذا التدرج. أجاب غيرلاخ بالإيجاب ، وقال إنه يمكن أن يفعل ما هو أفضل. بدت التجربة جديرة بالاهتمام. يظهر رسم تخطيطي للجهاز في الشكل 12. تمر ذرات الفضة عبر مجال مغناطيسي غير متجانس. إذا تم تحديد حجم الحزمة مكانيًا ، كما تنبأ سومرفيلد ، فيجب ملاحظة نقطتين على الشاشة. (يوضح الرسم البياني تقسيم الحزمة إلى ثلاثة مكونات ، وهو أمر متوقع في نظرية الكم الحديثة لذرة ذات زخم زاوي واحد.) لقد لاحظت أن نظرية سومرفيلد كانت غير صحيحة ، مما يشير إلى أن نظرية التمكين لا تحتاج إلى كن صادقًا لتكون مفيدًا.
لم تظهر النتيجة الأولية التي أبلغ عنها ستيرن وجيرلاخ انقسام الحزمة إلى مكونات. ومع ذلك ، فقد أظهر بقعة شعاع ممتدة. وخلصوا إلى أنه على الرغم من أنهم لم يظهروا تكميمًا مكانيًا ، إلا أنهم قدموا "دليلًا على أن ذرة الفضة تمتلك عزمًا مغناطيسيًا". أجرى ستيرن وجيرلاخ تحسينات على الجهاز ، لا سيما في استبدال شق شعاع دائري بشق مستطيل يعطي كثافة أعلى بكثير. النتائج موضحة في الشكل 13 (غيرلاخ وستيرن 1922 أ). يوجد حد أدنى من الشدة في وسط النموذج ، ويمكن رؤية فصل الحزمة إلى مكونين بوضوح. يبدو أن هذه النتيجة تؤكد تنبؤ Sommerfeld النظري الكمومي للتكميم المكاني. لاحظ باولي ، الفيزيائي سيئ السمعة ، "نأمل الآن أن يقتنع حتى ستيرن المتشكك بشأن التكميم الاتجاهي" (في رسالة من باولي إلى غيرلاخ في 17 فبراير 1922). شارك مجتمع الفيزياء وجهة نظر باولي. ومع ذلك ، فإن نتيجة ستيرن غيرلاخ قد طرحت مشكلة بالنسبة لنظرية بوهر-سومرفيلد للذرة. افترض ستيرن وجيرلاخ أن ذرات الفضة كانت في حالة من الزخم الزاوي بزخم زاوي واحد (L = 1). في الواقع ، الذرات في حالة L = 0 ، لذلك لا يُتوقع انقسام الحزمة في النظرية الكلاسيكية أو نظرية الكم. لم يفكر شتيرن وجيرلاخ في هذا الاحتمال. إذا فعلوا ذلك ، فربما لم يكونوا قد أجروا التجربة. توقعت نظرية كمومية لاحقة أو جديدة طورها Heisenberg و Schrödinger وآخرون أنه بالنسبة للحالة L = 1 ، يجب أن تنقسم الحزمة إلى ثلاثة مكونات
n في الشكل 12. ستكون العزم المغناطيسي للذرة إما 0 أو ± eh / (4πxm). وبالتالي ، إذا كانت ذرات الفضة في حالة L = 1 كما افترض Stern و Gerlach ، فإن نتيجتهما ، التي تظهر مكونين شعاعين ، تطرح أيضًا مشكلة لنظرية الكم الجديدة. تم حل هذا عندما اقترح Uhlenbeck و Goudsmit (1925 ، 1926) أن للإلكترون زخمًا زاويًا جوهريًا أو دورانًا يساوي h / 4π. هذا مشابه للأرض التي لها زخم زاوي مداري حول الشمس وأيضًا زخم زاوي جوهري بسبب دورانها على محورها. في الذرة ، سيكون للإلكترون زخم زاوي إجمالي J = L + S ، حيث L هو الزخم الزاوي المداري و S هو دوران الإلكترون. بالنسبة لذرات الفضة في حالة L = 0 ، سيكون للإلكترون زخمه الزاوي المغزلي فقط ، ويتوقع المرء أن تنقسم الحزمة إلى مكونين. اقترح Goudsmit و Uhlenbeck فكرة دوران الإلكترون لشرح الميزات في الأطياف الذرية مثل تأثير زيمان الشاذ ، وتقسيم الخطوط الطيفية في مجال مغناطيسي إلى مكونات أكثر مما يمكن أن تستوعبه نظرية بور-سومرفيلد للذرة. على الرغم من أن نتائج Stern-Gerlach كانت معروفة ، وكانت ستوفر بالتأكيد دعمًا قويًا لفكرة دوران الإلكترون ، لم يشر Goudsmit و Uhlenbeck إلى النتيجة.
اعتبرت تجربة ستيرن غيرلاخ في البداية بمثابة اختبار حاسم بين النظرية الكلاسيكية للذرة ونظرية بور-سومرفيلد. بمعنى أنه كان كذلك ، لأنه أظهر بوضوح أن التكميم المكاني موجود ، ظاهرة لا يمكن استيعابها إلا ضمن نظرية ميكانيكا الكم. تقرر بين فئتين من النظريات ، الكلاسيكية ونظريات ميكانيكا الكم. فيما يتعلق بنظرية الكم الخاصة لبور وسومرفيلد ، مع ذلك ، لم تكن حاسمة ، على الرغم من أنها كانت تعتبر كذلك في ذلك الوقت ، لأن هذه النظرية توقعت عدم انقسام شعاع من ذرات الفضة في الحالة الأرضية (L = 0 ). تم تطبيق النظرية بشكل خاطئ. كانت النتيجة المكونة من عنصرين مشكلة أيضًا بالنسبة لنظرية الكم الجديدة ، والتي لا تتنبأ أيضًا بعدم الانقسام لحالة الزخم الزاوي صفر وثلاثة مكونات للحالة L = 1. فقط بعد اقتراح دوران الإلكترون أكدت نتيجة Stern-Gerlach النظرية الجديدة.
على الرغم من أن تفسير النتيجة التجريبية كان غير صحيح لبعض الوقت ، إلا أن النتيجة نفسها ظلت قوية تمامًا من خلال تغيير النظرية من نظرية الكم القديمة إلى النظرية الكمومية الجديدة. من المهم أن نتذكر أن النتائج التجريبية لا تتغير عندما تتغير النظرية المقبولة ، على الرغم من أنه بالتأكيد ، كما رأينا ، قد يتغير تفسيرها. أكد غيرلاخ وشتيرن هذه النقطة بأنفسهم.
بصرف النظر عن أي نظرية ، يمكن ذكرها ، كنتيجة خالصة للتجربة ، وبقدر ما تسمح لنا دقة تجاربنا بقول ذلك ، فإن ذرات الفضة في المجال المغناطيسي لها قيمتان منفصلتان فقط لمكون المكون عزم مغناطيسي في اتجاه شدة المجال ؛ كلاهما له نفس القيمة المطلقة مع كل نصف من الذرات له علامة موجبة وسالبة على التوالي (Gerlach and Stern 1924، pp.690–691، FW)
فيما نستعمل هذه التجربة
حسنا بالطبع لن تستعمل لقتل مجرم في قطار بواسطة رصاصة فضية
- يستخدم تصوير الرنين المغناطيسي لغرض تشخيصي مثل تصوير الأوردة والشرايين، أو تصوير التغيرات العصبية في الدماغ. والرنين المغناطيسي يعتبر أفضل أنواع التصوير في توضيح الأنسجة وسوائل الجسم، وكذلك يستخدم لتخطيط الخطط العلاجية القائمة على العلاج الإشعاعي.
- عودة إلى التاريخ، ففي عام 1930 قام "ايسيدور رابي " باستخدام طريقة شتيرن-جيرلاخ وبين مع زملائه أنه باستخدام مجال مغناطيسي متغير زمنيا يمكن إجبار العزم المغناطيسي لجسيمات على الانتقال من حالة معية إلى حالة أخرى . ومن خلال تجارب عديدة توصلوا في عام 1937 إلى اكتشاف إمكانية انتقال من حالة لأخرى تحت تأثير مجال تردد راديوي . تسمى تلك الظاهرة رنين رابي وقد أدى هذا رنين راب هذا إلى اختراع طريقة التصوير بالرنين المغناطيسي، التي أصبحت منتشرة في المستشفيات.
- استخدام آخر وهو إنتاج أشعة جسيمات مستقطبة (أي شعاع يكون فيه العزم المغناطيسي للجسيمات في اتجاه واحد فقط).
يمر شعاع الذرات فيها خلال مغناطيس رباعي الأقطاب أو سداسي الأقطاب بدلا من قطبين إثنين. أمثال ذلك المغناطيس تركز الذرات ذات اتجاه معين لعزم الدوران في وسط محور الاتجاه، بينما الذرات الأخرى فهي لا تركز وتنتشر حول الشعاع المركز . ومن هذا الشعاع المركز يمكن إنتاج شعاع أيونات مستقطبة عن طريق تمريره خلال مجال مغناطيسي خارجي ؛ باستغلال ظاهرة انقسام الشعاع تحت فعل البنية الفائقة الدقة للذرات.
