การทดลองของสเติร์น-เกอร์แลค

การทดลองของสเติร์น-เกอร์แลค ตั้งชื่อตาม ออตโต สเติร์น และ วอลเทอร์ เกอร์แลค เป็นการทดลองในปี ค.ศ. 1922 ที่มีความสำคัญยิ่งในสาขากลศาสตร์ควอนตัม^[1] โดยทดสอบดูทิศทางการหักเหของอนุภาคซึ่งใช้ในการวางหลักการพื้นฐานของกลศาสตร์ควอนตัม และเป็นตัวบ่งชี้ว่าอิเล็กตรอนและอะตอมมีคุณสมบัติควอนตัมภายใน และการตรวจวัดในกลศาสตร์ควอนตัมมีผลกระทบต่อตัวระบบที่กำลังตรวจวัดนั้นเองด้วย

การทดลองของสเติร์น-เกอร์แลค ดำเนินการที่เมืองแฟรงค์เฟิร์ต ประเทศเยอรมนี โดย ออตโต สเติร์น และ วอลเทอร์ เกอร์แลค เวลานั้นสเติร์นเป็นผู้ช่วยวิจัยของ มักซ์ บอร์น ที่สถาบันฟิสิกส์ทฤษฎี มหาวิทยาลัยแฟรงค์เฟิร์ต ส่วนเกอร์แลคเป็นผู้ช่วยวิจัยที่สถาบันฟิสิกส์การทดลองที่มหาวิทยาลัยเดียวกัน

ในยุคที่ทำการทดลอง แบบจำลองดีที่สุดที่ใช้อธิบายอะตอมคือแบบจำลองของบอร์ ซึ่งบอกว่าอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปรอบๆ นิวเคลียสประจุบวกภายในขอบเขตออร์บิทัลของอะตอมที่แยกเป็นชั้นๆ ตามระดับพลังงาน โดยเหตุที่อิเล็กตรอนถูกควอนไตซ์ให้มีตำแหน่งที่แน่นอนในอวกาศ การแบ่งแยกเป็นระดับชั้นพลังงานที่แยกกันนี้จึงเรียกว่าเป็นการควอนไตซ์ในอวกาศ (space quantization) การทดลองของสเติร์น-เกอร์แลคต้องการทดสอบสมมุติฐานของบอร์-ซอมเมอร์เฟลด์ว่าทิศทางของโมเมนตัมเชิงมุมของอะตอมธาตุเงินนั้นควอนไตซ์จริงหรือไม่^[2]

พึงสังเกตว่า การทดลองนี้เกิดขึ้นหลายปีก่อนที่ George Eugene Uhlenbeck กับ Samuel Abraham Goudsmit จะคิดค้นสมมุติฐานเกี่ยวกับสปินของอิเล็กตรอน อย่างไรก็ดีในเวลาต่อมาก็พบว่าผลการทดลองของสเติร์น-เกอร์แลคสามารถเข้ากันได้เป็นอย่างดีกับการทำนายกลศาสตร์ควอนตัมของอนุภาคสปิน -1/2 ควรมองว่าการทดลองนี้เป็นข้อสนับสนุนต่อทฤษฎีควอนตัมดั้งเดิมของบอร์-ซอมเมอร์เฟลด์^[3]

ปี ค.ศ. 1927 ที.อี. ฟิปส์ และ เจ.บี.เทย์เลอร์ ทำการทดลองซ้ำอีกครั้งโดยอาศัยอะตอมไฮโดรเจนที่สถานะพื้น เพื่อขจัดข้อสงสัยใดๆ ที่อาจเกิดขึ้นเนื่องจากการใช้อะตอมเงินในการทดสอบ^[4]

อ้างอิง

↑ Gerlach, W.; Stern, O. (1922). "Das magnetische Moment des Silberatoms". Zeitschrift für Physik. 9: 353–355. Bibcode:1922ZPhy....9..353G. doi:10.1007/BF01326984.
↑ Stern, O. (1921). "Ein Weg zur experimentellen Pruefung der Richtungsquantelung im Magnetfeld". Zeitschrift für Physik. 7: 249–253. Bibcode:1921ZPhy....7..249S. doi:10.1007/BF01332793.
↑ Weinert, F. (1995). "Wrong theory—right experiment: The significance of the Stern–Gerlach experiments". Studies in History and Philosophy of Modern Physics. 26B: 75−86. doi:10.1016/1355-2198(95)00002-B.
↑ Phipps, T.E.; Taylor, J.B. (1927). "The Magnetic Moment of the Hydrogen Atom". Physical Review. 29 (2): 309–320. Bibcode:1927PhRv...29..309P. doi:10.1103/PhysRev.29.309.

หนังสืออ่านเพิ่มเติม

Friedrich, B.; Herschbach, D. (2003). "Stern and Gerlach: How a Bad Cigar Helped Reorient Atomic Physics". Physics Today. 56 (12): 53. Bibcode:2003PhT....56l..53F. doi:10.1063/1.1650229.
Reinisch, G. (1999). "Stern–Gerlach experiment as the pioneer—and probably the simplest—quantum entanglement test?". Physics Letters A. 259 (6): 427–430. Bibcode:1999PhLA..259..427R. doi:10.1016/S0375-9601(99)00472-7.
Venugopalan, A. (1997). "Decoherence and Schrödinger-cat states in a Stern−Gerlach-type experiment". Physical Review A. 56 (5): 4307–4310. Bibcode:1997PhRvA..56.4307V. doi:10.1103/PhysRevA.56.4307.
Jeremy Bernstein (2010). "The Stern Gerlach Experiment". arXiv:1007.2435v1 [physics.hist-ph].
Use of ions เก็บถาวร 2006-04-11 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน

แหล่งข้อมูลอื่น

[1] Gerlach, W.; Stern, O. (1922). "Das magnetische Moment des Silberatoms". Zeitschrift für Physik. 9: 353–355. Bibcode:1922ZPhy....9..353G. doi:10.1007/BF01326984.

[2] Stern, O. (1921). "Ein Weg zur experimentellen Pruefung der Richtungsquantelung im Magnetfeld". Zeitschrift für Physik. 7: 249–253. Bibcode:1921ZPhy....7..249S. doi:10.1007/BF01332793.

[3] Weinert, F. (1995). "Wrong theory—right experiment: The significance of the Stern–Gerlach experiments". Studies in History and Philosophy of Modern Physics. 26B: 75−86. doi:10.1016/1355-2198(95)00002-B.

[4] Phipps, T.E.; Taylor, J.B. (1927). "The Magnetic Moment of the Hydrogen Atom". Physical Review. 29 (2): 309–320. Bibcode:1927PhRv...29..309P. doi:10.1103/PhysRev.29.309.

[1]

[2]

[3]

[4]