Einleitung Wichtige Personen Motivation Das Stern-Gerlach-Experiment Pauli-Prinzip Modernde Quantenmechanik

Der Stern-Gerlach-Versuch

Lukas Mazur

Physik FakultätUniversität Bielefeld

Physikalisches Proseminar, 08.05.2013

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1 Einleitung

2 Wichtige Personen

3 Motivation

4 Das Stern-Gerlach-Experiment

5 Pauli-Prinzip

6 Modernde Quantenmechanik

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Welche Bedeutung hat dieses Experiment?

einer der wichtigsten Meilensteine auf dem Weg zur modernenQuantenphysikbeweist die Quantisierung des Elektronenspinsdies ist klassisch nicht erklärbarheute grundlegendes Experiment in der Physik

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Niels Bohr

* 7. Oktober 1885 in Kopenhagen;† 18. November 1962 inKopenhagen1903 studierte Physik,Mathematik, Chemie, Astronomieund Philosophie an der UniversitätKopenhagen1922 Nobelpreis für Physik

AtomstrukturAusgehende Strahlung vonAtomen

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Otto Stern

* 17. Februar 1888 in Sohrau,Oberschlesien; † 17. August 1969in Berkeley1906 studierte in Freiburg,München und Breslau physikalischeChemie1943 Nobelpreis für Physik

Molekularstrahl-MethodeMagnetisches Moment

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Walther Gerlach

* 1. August 1889 in Biebrich amRhein; † 10. August 1979 inMünchen1908 studierte Physik in Tübingenhat zahlreichepopulärwissenschaftliche Bücherverfasst

die Geschichte der Physikdie "Physik des Alltags"Physik-Lexika

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Wolfgang Pauli

* 25. April 1900 in Wien; † 15.Dezember 1958 in Zürich1919 studierte Physik an derUniversität München1945 Nobelpreis für Physik:Pauli-Prinzip

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Warum wurde das Experiment gemacht?

Bohrsches Atommodel (1913) sagte vorraus, dass derDrehimpuls quantisiert sein solltedh. LZ kann nur diskrete Werte annehmen: |L| = n h̄Klassische Theorie besagt das LZ jeden beliebigen Wertzwischen −|L| und +|L| annehmen kannWelche Theorie ist richtig?

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Theorie

man benötigt einen Versuch der die kontinuierliche oderdiskrete Verteilung eines Drehimpulses nachweistman weiß: Drehimpuls eines Elektrons erzeugt magnetischesMomentdieses müsste sich in einem magn. Feld nachweisen lassenes sollte sich eine Verteilung einstellen, die eine der beidenTheorien beweist

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Aufbau und Durchführung

Atomstrahlschießt durchinhom. magn.FeldAg-Atomebesitzen magn.Moment

⇒Atome erfahreneine Kraft undwerden abgelenkt

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Warum ein inhomogenes Magnetfeld?

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Warum Silberatome?

damalige Annahme:46 der insgesamt 47 Elektronen koppeln zu L = 0ein ungepaartes ’Leuchtelektron’ auf der äußersten Schale L=1quantenmechanisch erwartete man drei getrennte Flecken(ml = −1, 0, 1)klassische erwartete man eine kontinuierliche Aufweitung desStrahls

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Was hat man gemessen?

man hat zwei getrennte Flecken gemessenheutige Sicht:

Annahme L=1 im Silberatom falsch47. Elektron besetzt die 5s -Schale und hat daher L = 0

bei L=0 hätte man aber nur ein Fleck messen könnenFeststellung einer Quantisierung, aber nicht desBahndrehimpulsesWas war falsch?!

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Analoger Versuch mit Kaliumatomen

1

2

3

4

5

-1 -0.5 0 0.5 1

U [V

]

Weg [mm]

0mT50mT

100mT150mT200mT250mT300mT400mT500mT

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Ausschließungsprinzip

Lösung des Rätsels im Jahr 1925 durch Goudsmit, Uhlenbeckund PauliPaulisches Ausschließungsprinzip

es muss eine vierte ’Quantenzahl’ für das Elektron gebenkein Elektron darf dieselbe Quantenzahlen wie ein andereshaben

Diese Tatsache bestimmt maßgeblich den Aufbau desPeriodensystems

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Was man heute weiß

vierte Quantenzahl: SpinElektronenspin hat unveränderliche Spin-Quantenzahl s = 1

2Spin besitzt fast alle Eigenschaften des klassischenmechanischen DrehimpulsesAn Elektronen wurde er 1925 erstmals entdeckt, danach auchan allen anderen Teilchenarten

Anhang

Quellen

http://www.physik.uni-bielefeld.de/~yorks/pro13/v4.pdfhttp://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1945/index.htmlhttp://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1943/index.htmlhttp://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1922/index.htmlhttp://www.uni-frankfurt.de/fb/fb13/Dateien/117-4-Das_Stern-Gerlach-Zentrum-F.pdfhttp://www.physik.rwth-aachen.de/fileadmin/user_upload/www_physik/Institute/Inst_3A/BachelorPraktikum/Versuchsanleitungen/T14_20130212.pdf