„Stern-Gerlach-Versuch“ – Versionsunterschied

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Mit Hilfe des '''Stern-Gerlach-Versuchs''' von 1922 wurde von den Physikern [[Otto Stern (Physiker)|Otto Stern]] und [[Walther Gerlach]] erstmals die [[Richtungsquantelung]] von [[Drehimpuls]]en beobachtet. Der Stern-Gerlach-Versuch ist ein grundlegendes Experiment in der Physik und wird immer wieder herangezogen, um diese [[Quantenmechanik|quantenmechanische]] Erscheinung zu erläutern, die im Rahmen der klassischen Physik nicht verständlich ist.
Mit Hilfe des '''Stern-Gerlach-Versuchs''' von 1922 wurde von den Physikern [[Otto Stern (Physiker)|Otto Stern]]<ref name=":0">{{Internetquelle |url=https://frankfurter-personenlexikon.de/node/4536 |titel=Stern, Otto (1888-1969) {{!}} Frankfurter Personenlexikon |datum=22.10.2019 |sprache=de |abruf=2021-10-29}}</ref> und [[Walther Gerlach]]<ref>{{Internetquelle |url=https://frankfurter-personenlexikon.de/node/5452?treffer=Gerlach |titel=Gerlach, Walther {{!}} Frankfurter Personenlexikon |datum=22.10.2019 |sprache=de |abruf=2021-10-29}}</ref> erstmals die [[Richtungsquantelung]] von [[Drehimpuls]]en beobachtet. Der Stern-Gerlach-Versuch ist ein grundlegendes Experiment in der Physik und wird immer wieder herangezogen, um diese [[Quantenmechanik|quantenmechanische]] Erscheinung zu erläutern, die im Rahmen der klassischen Physik nicht verständlich ist.<ref>{{Internetquelle |url=https://plato.stanford.edu/entries/physics-experiment/app5.html |titel=Experiment in Physics > Appendix 5: Right Experiment, Wrong Theory: The Stern-Gerlach Experiment (Stanford Encyclopedia of Philosophy) |abruf=2021-10-29}}</ref>


== Beschreibung ==
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== Geschichte ==
== Geschichte ==
Die Richtungsquantelung war von [[Peter Debye]]<ref>Debye, Quantenhypothese und Zeemaneffekt, Nachrichten Akad. Wiss. Göttingen, Math-Phys. Klasse, 1916. S. 142, und Physikalische Zeitschrift, Band 17, 1916, S. 507.</ref> und [[Arnold Sommerfeld]]<ref>Sommerfeld, ''Zur Theorie des Zeemaneffekts der Wasserstofflinien, mit einem Anhang über den Starkeffekt, Physikalische Zeitschrift'', Band S. 17, 1916, S. 491–507</ref> 1916 im Rahmen der Untersuchung des [[Zeemaneffekt]]s vorhergesagt worden. Wie Gerlach sich erinnert, wurde er gleich bei seiner Ankunft in Frankfurt im Herbst 1920 von [[Max Born]] und Otto Stern zu den Atomstrahlversuchen hinzugezogen, mit denen Gerlach schon in seiner Zeit in Tübingen optische Experimente durchgeführt hatte (das Gebiet von Experimenten an Atomstrahlen war 1911 von [[Louis Dunoyer de Segonzac]] eröffnet worden). Stern hatte 1921 einen Versuch zum Nachweis der Richtungsquantelung vorgeschlagen<ref> Stern, ''Ein Weg zur experimentellen Prüfung der Richtungsquantelung im Magnetfeld'', Z. f. Physik, Band 7, 1921, S. 249–253</ref>. Die Durchführung des Versuchs war schwierig, da in der Inflationszeit die finanziellen Mittel fehlten. Max Born stellte aber Geld aus seinen Vorträgen über die Relativitätstheorie zur Verfügung, und [[Fritz Haber]] ermutigte die Experimentatoren und unterstützte sie mit Mitteln der Hoshi-Stiftung. Über Albert Einstein, den Born verständigt hatte, kam Geld für die Beschaffung des starken Magneten.
Die Richtungsquantelung war von [[Peter Debye]]<ref>Debye, Quantenhypothese und Zeemaneffekt, Nachrichten Akad. Wiss. Göttingen, Math-Phys. Klasse, 1916. S. 142, und Physikalische Zeitschrift, Band 17, 1916, S. 507.</ref><ref>{{Literatur |Autor=P. Debye |Titel=Quantenhypothese und Zeemann-Effekt |Sammelwerk=Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen, Mathematisch-Physikalische Klasse |Band=1916 |Datum=1916 |Seiten=142–153 |Online=https://eudml.org/doc/58956 |Abruf=2021-10-29}}</ref> und [[Arnold Sommerfeld]]<ref>Sommerfeld, ''Zur Theorie des Zeemaneffekts der Wasserstofflinien, mit einem Anhang über den Starkeffekt, Physikalische Zeitschrift'', Band S. 17, 1916, S. 491–507</ref><ref>{{Literatur |Autor=Wolfgang Pauli |Titel=Sommerfelds Beiträge zur Quantentheorie |Sammelwerk=Physik und Erkenntnistheorie |Verlag=Vieweg+Teubner Verlag |Ort=Wiesbaden |Datum=1984 |ISBN=978-3-528-08563-6 |DOI=10.1007/978-3-322-88799-3_5 |Seiten=32–41 |Online=http://link.springer.com/10.1007/978-3-322-88799-3_5 |Abruf=2021-10-29}}</ref> 1916 im Rahmen der Untersuchung des [[Zeemaneffekt]]s vorhergesagt worden. Wie Gerlach sich erinnert, wurde er gleich bei seiner Ankunft in Frankfurt im Herbst 1920 von [[Max Born]] und Otto Stern zu den Atomstrahlversuchen hinzugezogen, mit denen Gerlach schon in seiner Zeit in Tübingen optische Experimente durchgeführt hatte (das Gebiet von Experimenten an Atomstrahlen war 1911 von [[Louis Dunoyer de Segonzac]] eröffnet worden). Stern hatte 1921 einen Versuch zum Nachweis der Richtungsquantelung vorgeschlagen<ref> Stern, ''Ein Weg zur experimentellen Prüfung der Richtungsquantelung im Magnetfeld'', Z. f. Physik, Band 7, 1921, S. 249–253</ref>. Die Durchführung des Versuchs war schwierig, da in der Inflationszeit die finanziellen Mittel fehlten. Max Born stellte aber Geld aus seinen Vorträgen über die Relativitätstheorie zur Verfügung, und [[Fritz Haber]] ermutigte die Experimentatoren und unterstützte sie mit Mitteln der Hoshi-Stiftung. Über Albert Einstein, den Born verständigt hatte, kam Geld für die Beschaffung des starken Magneten.


Die Frage, ob überhaupt ein quantenmechanischer Effekt mit dem Experiment beobachtet werden könne, war umstritten und wurde vielfach diskutiert, auch wegen der technischen Schwierigkeit. Born und [[Niels Bohr]] glaubten daran; Debye glaubte nicht daran; Sommerfeld glaubte, nur ein halbklassischer Effekt wäre beobachtbar. Gerlach und Stern selbst waren offen hinsichtlich des Versuchsergebnisses. Allerdings erwartete Stern eher einen ''klassischen'' Effekt, wie Gerlach berichtet.<ref>Gerlach, Erinnerungen an Albert Einstein 1908-1930, Physikalische Blätter Band 35, 1979, Heft 3, S. 97f</ref>
Die Frage, ob überhaupt ein quantenmechanischer Effekt mit dem Experiment beobachtet werden könne, war umstritten und wurde vielfach diskutiert, auch wegen der technischen Schwierigkeit. Born und [[Niels Bohr]] glaubten daran; Debye glaubte nicht daran; Sommerfeld glaubte, nur ein halbklassischer Effekt wäre beobachtbar. Gerlach und Stern selbst waren offen hinsichtlich des Versuchsergebnisses. Allerdings erwartete Stern eher einen ''klassischen'' Effekt, wie Gerlach berichtet.<ref>Gerlach, Erinnerungen an Albert Einstein 1908-1930, Physikalische Blätter Band 35, 1979, Heft 3, S. 97f</ref>
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Albert Einstein äußerte sich zum Experiment nach Kenntnisnahme 1922:<ref>Einstein, Born, Briefwechsel, Langen-Müller, S. 102f, Brief Nr. 42 (ohne Datum)</ref> ''Das Interessanteste aber ist gegenwärtig das Experiment von Stern und Gerlach. Die Einstellung der Atome ohne Zusammenstöße ist nach den jetzigen Überlegungs-Methoden durch Strahlung nicht zu verstehen; eine Einstellung sollte von Rechts wegen mehr als 100 Jahre dauern. Ich habe mit [[Paul Ehrenfest|Ehrenfest]] eine kleine Rechnung darüber angestellt. [[Heinrich Rubens|Rubens]] hält das experimentelle Ergebnis für absolut sicher.''
Albert Einstein äußerte sich zum Experiment nach Kenntnisnahme 1922:<ref>Einstein, Born, Briefwechsel, Langen-Müller, S. 102f, Brief Nr. 42 (ohne Datum)</ref> ''Das Interessanteste aber ist gegenwärtig das Experiment von Stern und Gerlach. Die Einstellung der Atome ohne Zusammenstöße ist nach den jetzigen Überlegungs-Methoden durch Strahlung nicht zu verstehen; eine Einstellung sollte von Rechts wegen mehr als 100 Jahre dauern. Ich habe mit [[Paul Ehrenfest|Ehrenfest]] eine kleine Rechnung darüber angestellt. [[Heinrich Rubens|Rubens]] hält das experimentelle Ergebnis für absolut sicher.''


Die Originalapparaturen sind fast alle im Zweiten Weltkrieg zerstört worden. Eine Rekonstruktion des Experiments durch Horst Schmidt-Böcking mit einigen Originalen – einem Mikroskop aus dem Besitz von Stern (2009 durch eine Nichte von Stern an Schmidt-Böcking übergeben) und Vakuumpumpen – wurde 2014 auf einer Jubiläumsausstellung der Universität Frankfurt gezeigt.<ref> [https://frankfurter-personenlexikon.de/node/4536 Artikel Otto Stern] in Frankfurter Personenlexikon, 2019</ref>
Die Originalapparaturen sind fast alle im Zweiten Weltkrieg zerstört worden. Eine Rekonstruktion des Experiments durch Horst Schmidt-Böcking mit einigen Originalen – einem Mikroskop aus dem Besitz von Stern (2009 durch eine Nichte von Stern an Schmidt-Böcking übergeben) und Vakuumpumpen – wurde 2014 auf einer Jubiläumsausstellung der Universität Frankfurt gezeigt.<ref name=":0" />


Stern und Gerlach wurden für das Experiment mehrfach (82<ref>{{Internetquelle |url=https://www.nobelprize.org/nomination/archive/show_people.php?id=8779 |titel=Nomination archive - Otto Stern |hrsg=Nobel Prize Outreach AB |datum=2020-04-01 |sprache=en-US |abruf=2021-10-29}}</ref> Nominierungen für Stern, 30<ref>{{Internetquelle |url=https://www.nobelprize.org/nomination/archive/show_people.php?id=3398 |titel=Nomination archive - Walter Gerlach |datum=2020-04-01 |sprache=en-US |abruf=2021-10-29}}</ref> für Gerlach) für den Nobelpreis vorgeschlagen. Verlauf der Nobelpreis-Nominierungen rückte der Fokus des Preisträgers vermehrt auf Stern. Stern wurde z. B. als "führender Geist der Untersuchungen" empfohlen.<ref>{{Literatur |Titel=Otto Sterns gesammelte Briefe – Band 2 |Datum=2019 |DOI=10.1007/978-3-662-58837-6 |Seiten=293}}</ref>
Stern und Gerlach wurden für das Experiment mehrfach für den Nobelpreis vorgeschlagen. Bei der Verleihung 1944 an Stern (für das Jahr 1943) wurde der Versuch nicht explizit erwähnt (wohl aber in einer Würdigung durch Nobelpreis-Komiteemitglied [[Erik Hulthén]] im schwedischen Radio 1944) und Gerlach übergangen, wahrscheinlich wegen seiner Rolle im Atombombenprojekt und der deutschen Forschung in der Zeit des Zweiten Weltkriegs.<ref>Horst Schmidt-Böcking, Alan Templeton, Wolfgang Trageser (Hrsg.), Otto Sterns Gesammelte Briefe, Band 2, Springer 2019, S. 344. Der Zusammenhang kann nach den Autoren aber nicht belegt werden.</ref>

Bei der Verleihung 1944 an Stern (Rückwirkend für das Jahr 1943) wurde der Versuch nicht explizit erwähnt,<ref>{{Literatur |Autor=Daniel Kleppner |Titel=Our Enduring Legacy from Otto Stern |Sammelwerk=Molecular Beams in Physics and Chemistry |Verlag=Springer International Publishing |Ort=Cham |Datum=2021 |ISBN=978-3-030-63962-4 |DOI=10.1007/978-3-030-63963-1_7 |Seiten=97–117 |Online=https://link.springer.com/10.1007/978-3-030-63963-1_7 |Abruf=2021-10-29}}</ref> sondern Stern's Beitrag zur Entwicklung der [[Molekularstrahl]]-Methode und die Entdeckung des magnetischen Moments des Protons.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1943/stern/facts/ |titel=The Nobel Prize in Physics 1943 |sprache=en-US |abruf=2021-10-29}}</ref>


== Anwendung ==
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=== Neutronen ===
=== Neutronen ===
Die Strahlaufspaltung im inhomogenen Magnetfeld ist gelegentlich mit Erfolg verwendet worden, um die Polarisation eines Strahls langsamer [[Neutron]]en zu messen.<ref>J. E. Sherwood, T. E. Stephenson, and S. Bernstein: Stern-Gerlach experiment on polarized neutrons. ''Physical Review'' Bd. 96 (1954) S. 1546</ref><ref>S. Barkan et al.: Measurement of the Polarization of Thermal Neutron Beams of Mixed Velocities. ''Review of Scientific Instruments'' Bd. 39 (1968) S. 101. {{doi|10.1063/1.1683079}}</ref>
Die Strahlaufspaltung im inhomogenen Magnetfeld ist gelegentlich mit Erfolg verwendet worden, um die Polarisation eines Strahls langsamer [[Neutron]]en zu messen.<ref>S. Barkan et al.: Measurement of the Polarization of Thermal Neutron Beams of Mixed Velocities. ''Review of Scientific Instruments'' Bd. 39 (1968) S. 101. {{doi|10.1063/1.1683079}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=J. E. Sherwood, T. E. Stephenson, Seymour Bernstein |Titel=Stern-Gerlach Experiment on Polarized Neutrons |Sammelwerk=Physical Review |Band=96 |Nummer=6 |Datum=1954-12-15 |DOI=10.1103/PhysRev.96.1546 |Seiten=1546–1548 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRev.96.1546 |Abruf=2021-10-29}}</ref>


=== Geladene Teilchen ===
=== Geladene Teilchen ===
Ein Stern-Gerlach-Versuch mit geladenen Teilchen, etwa freien Elektronen, wird meist als unmöglich angesehen, weil die Lorentzkraft auf die Ladung sehr viel größer ist als die Kraft auf das magnetische Moment; schon die Querabmessungen des Strahls sowie kleine Geschwindigkeitsunterschiede würden wegen des inhomogenen Feldes zu einer Verschmierung führen, die die spinbedingte Aufspaltung überdeckt. Diese Aussage ist 1997 durch Batelaan u. M. aus theoretischer Sicht bezweifelt worden. Sie halten es für grundsätzlich möglich, einen Polarisator für Elektronenstrahlen nach dem Prinzip des Stern-Gerlach-Versuchs zu bauen.<ref>H. Batelaan, T. J. Gray, J. J. Schwendiman: Stern-Gerlach Effect for Electron Beams. ''Physical Review Letters'' Band 79 (1997) Seite 4517–4521</ref> Andere Forscher haben diesen Überlegungen widersprochen.<ref>G. H. Rutherford, R. Grobe: Comment on 'Stern-Gerlach Effect for Electron Beams', ''Physical Review Letters'' 81 (1998) 4772-4772</ref>
Ein Stern-Gerlach-Versuch mit geladenen Teilchen, etwa freien Elektronen, wird meist als unmöglich angesehen, weil die Lorentzkraft auf die Ladung sehr viel größer ist als die Kraft auf das magnetische Moment; schon die Querabmessungen des Strahls sowie kleine Geschwindigkeitsunterschiede würden wegen des inhomogenen Feldes zu einer Verschmierung führen, die die spinbedingte Aufspaltung überdeckt. Diese Aussage ist 1997 durch Batelaan u. M. aus theoretischer Sicht bezweifelt worden. Sie halten es für grundsätzlich möglich, einen Polarisator für Elektronenstrahlen nach dem Prinzip des Stern-Gerlach-Versuchs zu bauen.<ref>H. Batelaan, T. J. Gray, J. J. Schwendiman: Stern-Gerlach Effect for Electron Beams. ''Physical Review Letters'' Band 79 (1997) Seite 4517–4521</ref> Andere Forscher haben diesen Überlegungen widersprochen.<ref>{{Literatur |Autor=H. Batelaan, T. J. Gay, J. J. Schwendiman |Titel=Stern-Gerlach Effect for Electron Beams |Sammelwerk=Physical Review Letters |Band=79 |Nummer=23 |Datum=1997-12-08 |DOI=10.1103/PhysRevLett.79.4517 |Seiten=4517–4521 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.79.4517 |Abruf=2021-10-29}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=George H. Rutherford, Rainer Grobe |Titel=Comment on ``Stern-Gerlach Effect for Electron Beams'' |Sammelwerk=Physical Review Letters |Band=81 |Nummer=21 |Datum=1998-11-23 |DOI=10.1103/PhysRevLett.81.4772 |Seiten=4772–4772 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.81.4772 |Abruf=2021-10-29}}</ref>


Für Protonen oder andere Ionen liegt eine solche Möglichkeit noch ferner als für Elektronen, weil ihr magnetisches Moment um zwei bis drei Zehnerpotenzen kleiner ist.
Für Protonen oder andere Ionen liegt eine solche Möglichkeit noch ferner als für Elektronen, weil ihr magnetisches Moment um zwei bis drei Zehnerpotenzen kleiner ist.<ref>{{Internetquelle |autor=RW |url=https://www.mpg.de/8232171/proton_magnetisches_moment |titel=Am Kern des Antimaterie-Rätsels |hrsg=MPG |datum=28.05.2014 |sprache=de |abruf=2021-10-29}}</ref>


== Literatur ==
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== Weblinks ==
== Weblinks ==
* B. Friedrich, D. Herschbach: 'Stern and Gerlach: How a bad cigar helped reorient atomic physics.' ''Physics Today'', Dezember 2003 [https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/1.1650229 (Online)], DOI=10.1063/1.1650229
* Bretislav Friedrich ''and'' Dudley Herschbach, "Stern and Gerlach: How a Bad Cigar Helped Reorient Atomic Physics", Physics Today 56, 53-59 (2003) https://doi.org/10.1063/1.1650229


== Einzelnachweise ==
== Einzelnachweise ==

Version vom 29. Oktober 2021, 14:55 Uhr

Tafel am Gebäude des Physikalischen Vereins in Frankfurt am Main

Mit Hilfe des Stern-Gerlach-Versuchs von 1922 wurde von den Physikern Otto Stern[1] und Walther Gerlach[2] erstmals die Richtungsquantelung von Drehimpulsen beobachtet. Der Stern-Gerlach-Versuch ist ein grundlegendes Experiment in der Physik und wird immer wieder herangezogen, um diese quantenmechanische Erscheinung zu erläutern, die im Rahmen der klassischen Physik nicht verständlich ist.[3]

Beschreibung

Das Stern-Gerlach-Experiment, schematisch

Ein Strahl von (elektrisch neutralen) Silberatomen durchfliegt im Vakuum den Spalt zwischen den Polschuhen eines Magneten. Der eine Polschuh hat die Form einer zum Strahl parallelen Schneide, der andere die einer flachen Rinne. Dadurch ist das Magnetfeld in der Richtung quer zum Strahl stark inhomogen. Nachdem der Strahl das Magnetfeld durchlaufen hat, schlagen sich die Silberatome auf einer Glasplatte nieder. Es werden zwei voneinander getrennte Flecke gefunden, das heißt, das Magnetfeld spaltet den Strahl in zwei getrennte Teilstrahlen auf.[4]

Erklärung

Das Silberatom hat ein magnetisches Dipolmoment bestimmter Größe, auf das im inhomogenen Feld eine Kraft wirkt:

(Dabei ist die Feldrichtung als -Achse gewählt, in der Abbildung: die senkrechte Richtung.) Je nach Größe der -Komponente des magnetischen Moments, d. h. je nach Anstellwinkel zur Feldrichtung, erfahren die verschiedenen Atome Kräfte verschiedener Größe parallel oder antiparallel zur Feldrichtung. Klassisch erwartet man daher eine kontinuierliche Aufweitung des Strahls in -Richtung.

Das magnetische Moment rührt von dem Drehimpuls des Atoms her und ist zu ihm parallel. Der Drehimpuls mit der Quantenzahl ½ hat in -Richtung nur die Einstellmöglichkeiten oder ( ist das reduzierte plancksche Wirkungsquantum). Im klassischen Bild entspricht das einer mit gleicher Rotationsgeschwindigkeit links- bzw. rechtsherum rotierenden geladenen Kugel. Nach der klassischen Mechanik könnte der Drehimpulsvektor dagegen jeden beliebigen Winkel mit der Achse bilden.

Projektion des Spins eines Spin-½-Teilchens auf die -Achse

Da parallel zu ist, kann auch die -Komponente von nur einen bestimmten positiven oder einen gleich großen negativen Wert annehmen. Deshalb wirkt auf jedes Atom je nach Ausrichtung des Drehimpulses eine betragsmäßig gleiche, aber in der Richtung entgegengesetzte Kraft quer zur Flugrichtung. Der Strahl spaltet sich in zwei Teilstrahlen auf, so dass die beobachtete Verteilung entsteht.

Besonderheit des Silberatoms

Grundsätzlich wird das magnetische Moment eines Atoms von der Gesamtheit der Bahndrehimpulse sowie der Spins aller seiner Elektronen gebildet (siehe Landé-Faktor eines Atoms; der Beitrag des Atomkerns ist vernachlässigbar klein.) Im Silberatom trägt jedoch nur das 5-Elektron zum magnetischen Moment bei, denn alle anderen Elektronen bilden abgeschlossene Schalen mit Drehimpuls Null. Das 5-Elektron hat die Bahndrehimpulsquantenzahl (es besitzt keinen Bahndrehimpuls). Der Gesamtdrehimpuls besteht also nur aus dem Spin dieses einen Elektrons, und das ganze Silberatom verhält sich wie ein einzelnes Spin-1/2-Teilchen. Im Unterschied zum Elektron ist es allerdings elektrisch neutral, kann also durch die im Magnetfeld herrschende Lorentzkraft oder durch elektrische Störfelder nicht abgelenkt werden.

Geschichte

Die Richtungsquantelung war von Peter Debye[5][6] und Arnold Sommerfeld[7][8] 1916 im Rahmen der Untersuchung des Zeemaneffekts vorhergesagt worden. Wie Gerlach sich erinnert, wurde er gleich bei seiner Ankunft in Frankfurt im Herbst 1920 von Max Born und Otto Stern zu den Atomstrahlversuchen hinzugezogen, mit denen Gerlach schon in seiner Zeit in Tübingen optische Experimente durchgeführt hatte (das Gebiet von Experimenten an Atomstrahlen war 1911 von Louis Dunoyer de Segonzac eröffnet worden). Stern hatte 1921 einen Versuch zum Nachweis der Richtungsquantelung vorgeschlagen[9]. Die Durchführung des Versuchs war schwierig, da in der Inflationszeit die finanziellen Mittel fehlten. Max Born stellte aber Geld aus seinen Vorträgen über die Relativitätstheorie zur Verfügung, und Fritz Haber ermutigte die Experimentatoren und unterstützte sie mit Mitteln der Hoshi-Stiftung. Über Albert Einstein, den Born verständigt hatte, kam Geld für die Beschaffung des starken Magneten.

Die Frage, ob überhaupt ein quantenmechanischer Effekt mit dem Experiment beobachtet werden könne, war umstritten und wurde vielfach diskutiert, auch wegen der technischen Schwierigkeit. Born und Niels Bohr glaubten daran; Debye glaubte nicht daran; Sommerfeld glaubte, nur ein halbklassischer Effekt wäre beobachtbar. Gerlach und Stern selbst waren offen hinsichtlich des Versuchsergebnisses. Allerdings erwartete Stern eher einen klassischen Effekt, wie Gerlach berichtet.[10]

Der Versuch wurde im Februar 1922 durch Gerlach im Gebäude des Physikalischen Vereins in Frankfurt am Main in der Robert-Mayer-Straße durchgeführt, nach Horst Schmidt-Böcking (nach erhaltenen Wetterbeschreibungen vom Tag des Experiments) in der Nacht vom 7. auf den 8. Februar.[11] Das Ergebnis überraschte, denn der Teilchenspin und die Existenz „halbzahliger“ Drehimpulse waren damals noch nicht bekannt. Die Experimentatoren hatten Silber aus praktischen Gründen wegen der leichten Nachweismöglichkeit (Niederschlag auf Glasplatte) gewählt. Sie hatten bereits nachgewiesen, dass das Silberatom in seinem Grundzustand ein von Null verschiedenes magnetisches Moment hat. Ihre wenig später durchgeführte genaue Messung dieses magnetischen Moments[12] ergab den erwarteten Betrag, 1 bohrsches Magneton. Im Sinne des Bohr-Sommerfeldschen Atommodells führten sie das magnetische Moment auf einen Bahndrehimpuls mit der Quantenzahl zurück. Daher hatten sie eigentlich eine Aufspaltung in Teilstrahlen erwartet, aber der unabgelenkte mittlere Teilstrahl trat nicht auf.

Gerlach teilte das Ergebnis Stern, der in Rostock war, in einem Telegramm mit den Worten mit: Bohr hat doch Recht.[13] In einem Glückwunschtelegramm an Gerlach vom 17. Februar 1922 von Wolfgang Pauli gab dieser zudem der Hoffnung Ausdruck, dass auch Stern nun von der Richtungsquantelung überzeugt sein würde.[13]

Die Richtungsquantelung als realer, beobachtbarer Effekt war mit dem Experiment erwiesen, aber die Deutung des Ergebnisses musste später berichtigt werden, nachdem 1925 der Begriff des Elektronenspins eingeführt worden war. 1927 führten Phipps und Taylor das Stern-Gerlach-Experiment mit Wasserstoffatomen aus und erhielten ebenfalls zwei Teilstrahlen.[14]

Albert Einstein äußerte sich zum Experiment nach Kenntnisnahme 1922:[15] Das Interessanteste aber ist gegenwärtig das Experiment von Stern und Gerlach. Die Einstellung der Atome ohne Zusammenstöße ist nach den jetzigen Überlegungs-Methoden durch Strahlung nicht zu verstehen; eine Einstellung sollte von Rechts wegen mehr als 100 Jahre dauern. Ich habe mit Ehrenfest eine kleine Rechnung darüber angestellt. Rubens hält das experimentelle Ergebnis für absolut sicher.

Die Originalapparaturen sind fast alle im Zweiten Weltkrieg zerstört worden. Eine Rekonstruktion des Experiments durch Horst Schmidt-Böcking mit einigen Originalen – einem Mikroskop aus dem Besitz von Stern (2009 durch eine Nichte von Stern an Schmidt-Böcking übergeben) und Vakuumpumpen – wurde 2014 auf einer Jubiläumsausstellung der Universität Frankfurt gezeigt.[1]

Stern und Gerlach wurden für das Experiment mehrfach (82[16] Nominierungen für Stern, 30[17] für Gerlach) für den Nobelpreis vorgeschlagen. Verlauf der Nobelpreis-Nominierungen rückte der Fokus des Preisträgers vermehrt auf Stern. Stern wurde z. B. als "führender Geist der Untersuchungen" empfohlen.[18]

Bei der Verleihung 1944 an Stern (Rückwirkend für das Jahr 1943) wurde der Versuch nicht explizit erwähnt,[19] sondern Stern's Beitrag zur Entwicklung der Molekularstrahl-Methode und die Entdeckung des magnetischen Moments des Protons.[20]

Anwendung

Jeder der beiden Teilstrahlen im Stern-Gerlach-Versuch ist polarisiert. Daher findet das Prinzip des Versuchs Anwendung in manchen Quellen zur Erzeugung eines polarisierten Strahls von Ionen – meist Protonen oder Deuteronen – für Teilchenbeschleuniger. Der Atomstrahl durchläuft dabei statt des Dipolmagneten einen Quadrupol- oder Sextupolmagneten. Ein solcher Magnet fokussiert Atome mit einer der beiden Drehimpulsstellungen zur Mitte auf seine Achse, während er die anderen Atome defokussiert, also nach außen zerstreut. Aus den fokussierten Atomen lässt sich durch Stoßionisation in einem schwachen äußeren Magnetfeld durch Ausnützen der Hyperfeinaufspaltung ein polarisierter Ionenstrahl gewinnen.[21][22]

Der Versuch mit anderen Teilchen

Atome

Ein Strahl diamagnetischer Atome zeigt zunächst keine Aufspaltung, da deren Elektronenhüllen kein magnetisches Moment aufweisen. Bei sehr hoher Auflösung erkennt man aber eine Aufspaltung, die durch den Kernspin mit seinem viel kleineren magnetischen Moment verursacht wird. Bei paramagnetischen Atomen wird jede durch die Elektronenhülle verursachte Aufspaltung durch das magnetische Moment des Kerns weiter aufgespalten.[23]

Neutronen

Die Strahlaufspaltung im inhomogenen Magnetfeld ist gelegentlich mit Erfolg verwendet worden, um die Polarisation eines Strahls langsamer Neutronen zu messen.[24][25]

Geladene Teilchen

Ein Stern-Gerlach-Versuch mit geladenen Teilchen, etwa freien Elektronen, wird meist als unmöglich angesehen, weil die Lorentzkraft auf die Ladung sehr viel größer ist als die Kraft auf das magnetische Moment; schon die Querabmessungen des Strahls sowie kleine Geschwindigkeitsunterschiede würden wegen des inhomogenen Feldes zu einer Verschmierung führen, die die spinbedingte Aufspaltung überdeckt. Diese Aussage ist 1997 durch Batelaan u. M. aus theoretischer Sicht bezweifelt worden. Sie halten es für grundsätzlich möglich, einen Polarisator für Elektronenstrahlen nach dem Prinzip des Stern-Gerlach-Versuchs zu bauen.[26] Andere Forscher haben diesen Überlegungen widersprochen.[27][28]

Für Protonen oder andere Ionen liegt eine solche Möglichkeit noch ferner als für Elektronen, weil ihr magnetisches Moment um zwei bis drei Zehnerpotenzen kleiner ist.[29]

Literatur

  • Gerthsen, Kneser, Vogel: Physik. Springer-Verlag, 15. Auflage, 1986, ISBN 3-540-16155-4, S. 615–616
  • H. Haken, H. Chr. Wolf: Atom- und Quantenphysik. 8. Auflage, Springer 2004, ISBN 3-540-02621-5, Seite 196–197
  • W. Demtröder: Atoms, Molecules and Photons. Springer, 2010, ISBN 978-3-642-10297-4, Seite 175–176

Weblinks

  • Bretislav Friedrich and Dudley Herschbach, "Stern and Gerlach: How a Bad Cigar Helped Reorient Atomic Physics", Physics Today 56, 53-59 (2003) https://doi.org/10.1063/1.1650229

Einzelnachweise

  1. ↑ a b Stern, Otto (1888-1969) | Frankfurter Personenlexikon. 22. Oktober 2019, abgerufen am 29. Oktober 2021.
  2. ↑ Gerlach, Walther | Frankfurter Personenlexikon. 22. Oktober 2019, abgerufen am 29. Oktober 2021.
  3. ↑ Experiment in Physics > Appendix 5: Right Experiment, Wrong Theory: The Stern-Gerlach Experiment (Stanford Encyclopedia of Philosophy). Abgerufen am 29. Oktober 2021.
  4. ↑ Walther Gerlach und Otto Stern: Der experimentelle Nachweis der Richtungsquantelung im Magnetfeld. In: Zeitschrift für Physik. Band 9, 1922, S. 349–352, doi:10.1007/BF01326983.
  5. ↑ Debye, Quantenhypothese und Zeemaneffekt, Nachrichten Akad. Wiss. Göttingen, Math-Phys. Klasse, 1916. S. 142, und Physikalische Zeitschrift, Band 17, 1916, S. 507.
  6. ↑ P. Debye: Quantenhypothese und Zeemann-Effekt. In: Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen, Mathematisch-Physikalische Klasse. Band 1916, 1916, S. 142–153 (eudml.org [abgerufen am 29. Oktober 2021]).
  7. ↑ Sommerfeld, Zur Theorie des Zeemaneffekts der Wasserstofflinien, mit einem Anhang über den Starkeffekt, Physikalische Zeitschrift, Band S. 17, 1916, S. 491–507
  8. ↑ Wolfgang Pauli: Sommerfelds Beiträge zur Quantentheorie. In: Physik und Erkenntnistheorie. Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden 1984, ISBN 978-3-528-08563-6, S. 32–41, doi:10.1007/978-3-322-88799-3_5 (springer.com [abgerufen am 29. Oktober 2021]).
  9. ↑ Stern, Ein Weg zur experimentellen Prüfung der Richtungsquantelung im Magnetfeld, Z. f. Physik, Band 7, 1921, S. 249–253
  10. ↑ Gerlach, Erinnerungen an Albert Einstein 1908-1930, Physikalische Blätter Band 35, 1979, Heft 3, S. 97f
  11. ↑ Astrid Ludwig, Der vergessene Nobelpreisträger, Frankfurter Rundschau, 28. Dezember 2010, Horst Schmidt-Böcking über Otto Stern
  12. ↑ Walther Gerlach und Otto Stern: Das magnetische Moment des Silberatoms. In: Zeitschrift für Physik. Band 9, 1922, S. 353–355, doi:10.1007/BF01326984.
  13. ↑ a b Wolfgang Gentner, Gedenkworte für Walther Gerlach, Orden Pour le Mérite, Reden und Gedenkworte, Band 16, 1980, S. 47–53, Telegramm von Gerlach an Stern S. 48, Postkarte von Pauli S. 49
  14. ↑ T. E. Phipps, J. B. Taylor: The Magnetic Moment of the Hydrogen Atom. Physical Review Band 29 (1927) S. 309–320
  15. ↑ Einstein, Born, Briefwechsel, Langen-Müller, S. 102f, Brief Nr. 42 (ohne Datum)
  16. ↑ Nomination archive - Otto Stern. Nobel Prize Outreach AB, 1. April 2020, abgerufen am 29. Oktober 2021 (amerikanisches Englisch).
  17. ↑ Nomination archive - Walter Gerlach. 1. April 2020, abgerufen am 29. Oktober 2021 (amerikanisches Englisch).
  18. ↑ Otto Sterns gesammelte Briefe – Band 2. 2019, S. 293, doi:10.1007/978-3-662-58837-6.
  19. ↑ Daniel Kleppner: Our Enduring Legacy from Otto Stern. In: Molecular Beams in Physics and Chemistry. Springer International Publishing, Cham 2021, ISBN 978-3-03063962-4, S. 97–117, doi:10.1007/978-3-030-63963-1_7 (springer.com [abgerufen am 29. Oktober 2021]).
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  21. ↑ G. Clausnitzer, R. Fleischmann, H. Schopper, Zeitschrift für Physik Band 144 (1956) S. 336
  22. ↑ H. Paetz gen. Schieck: Nuclear Physics with Polarized Particles. Heidelberg usw.: Springer, 2012. ISBN 978-3-642-24225-0
  23. ↑ Gerthsen, Kneser, Vogel (siehe Literaturliste)
  24. ↑ S. Barkan et al.: Measurement of the Polarization of Thermal Neutron Beams of Mixed Velocities. Review of Scientific Instruments Bd. 39 (1968) S. 101. doi:10.1063/1.1683079
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  28. ↑ George H. Rutherford, Rainer Grobe: Comment on ``Stern-Gerlach Effect for Electron Beams. In: Physical Review Letters. Band 81, Nr. 21, 23. November 1998, S. 4772–4772, doi:10.1103/PhysRevLett.81.4772 (aps.org [abgerufen am 29. Oktober 2021]).
  29. ↑ RW: Am Kern des Antimaterie-Rätsels. MPG, 28. Mai 2014, abgerufen am 29. Oktober 2021.
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