施特恩—格拉赫实验其人其事

作者: 林志忠

来源: 中国物理学会期刊网

发布日期: 2021-03-15 11:34:15

1922年,施特恩—格拉赫实验在法兰克福大学成功测量到电中性银原子束在非均匀磁场中的双重分裂现象,证实了微观世界的量子化特性。该实验由格拉赫独自进行,施特恩则在其间短暂在Rostock大学任教。实验的成功离不开施特恩对分子束方法的发展和应用,以及格拉赫的精心实验操作。

1922年2月7日晚上至8日清早,德国中部城市气温低寒,下雪,法兰克福大学施特恩—格拉赫实验首次成功测量到了电中性银原子束在非均匀磁场中的双重分裂现象,明确印证了微观尺度世界的量子化特性本质,这是近代物理学史上的重大一笔!实验是由格拉赫独自进行的,因为施特恩此时正短暂地在德国北部的Rostock大学任教,遇假期时才会回到法兰克福与格拉赫讨论数据,并进一步修正和改善实验设计。

1911年,法国科学家Louis Dunoyer首度演示钠原子在真空中的运动,的确有如光子般沿直线前进,证实了麦克斯韦气体动力论的基本假设。这个分子束方法随后被施特恩改善、发展并广泛应用到极致,用它取得了许多项登峰造极的改写近代物理学的成就。

施特恩深切认识到,寻求当前最基本科学问题的明确解答,必须通过严谨技术细节,进行工匠/工艺式日复一日的操作。图1是分子束方法实验装置示意图:从高温腔到第一个狭缝的距离约为3 cm,第一狭缝与第二狭缝的距离约为3 cm,非均匀电磁铁的长度为3.5 cm,P为冷凝玻璃盘。

高温腔中的银原子被加热到约1000°C,其均方根速度约为540 m/s。等速直线前进的电中性个别银原子对准通过狭缝1及狭缝2后,进入非均匀磁场。如果银原子拥有磁性,带有磁矩,我们先假设其大小约为一个玻尔磁矩,即μ≈μB,以进行下面估算。

施特恩—格拉赫实验能够完成于1920年代初期的法兰克福,事出有因。

显然,卓越学术成果常是群体脑力及体力密切合作的果实,而不是某位倚剑睥睨长空的孤独天才的偶然个人秀。即便是天赋异禀的不世出天才爱因斯坦,假如他的学术生命不是成长在20世纪初叶的德国/欧洲,有洛伦兹、普朗克、能斯特等多人的一再提携,甚至三顾茅庐,以及优秀数学家朋友在几段关键时刻的无私鼎力相助,他应也难以完成光电效应、辐射的波粒二象性及相对论等卓越理论。

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