Padres del spin

Franchino, SebastiánMuglia, Juan

Salazar, Ignacio

Stern y Gerlach:

OTTO STERN• Alemán, se doctora en fisicoquímica en la universidad de Breslau en 1912.

• Se interesa en el estudio de “rayos moleculares”, moléculas de un gas que a cierta temperatura se propagan en línea recta. Para distintos gases y temperaturas mide la velocidad promedio de las partículas que componen el rayo. Utiliza diferentes formas de medición.

• Durante la segunda guerra mundial, se exilia en los Estados Unidos, y permanece allí el resto de su vida.

• Le otorgan el premio Nóbel de la física del año 1943.

WALTHER GERLACH• Alemán, se doctora en fisica en la universidad de Tübingen en 1912.

• Estudia la fluorescencia y las propiedades paramagnéticas de rayos moleculares de bismuto. Envía líneas de vapor de bismuto a través de un campo magnético inhomogéneo.

• Desempeña el cargo de jefe de investigaciones nucleares alemanas durante parte de la segunda guerra mundial.

EL EXPERIMENTO DE STERN Y GERLACH

• En 1920 los dos científicos se juntan para realizar un experimento nuevo, con la idea de comprobar experimentalmente la cuantización del momento angular de los electrones del átomo, propuesta por Bohr y Sommerfeld.

• Utilizan un dispositivo experimental ideado por Stern que usa haces de átomos de plata, con los cuales ambos estaban acostumbrados a trabajar.

• Encuentran que el momento magnético de los átomos es igual al llamado “magnetón de Bohr”.

• No pueden explicar cómo el haz de partículas se divide en dos ya que para ese entonces no se había descubierto el espín del electrón.

• Sin embargo, reconocen que el efecto está ligado a la cuantización de la que hablan los teóricos.

Placa conmemorativa del experimento,

colocada en la universidad de Frankfurt

en 2003:

Dispositivo Experimental [1],[2]

Dispositivo Experimental [1]

Vista Frontal del Horno Vista Frontal de la Primer Rendija

Vista Lateral del electroimán Vista Frontal de la Segunda Rendija

Sin campo magnético Con campo magnético

Alto: (1,10 ± 0,01) mmAncho mayor: (0,10 ± 0,01) mmAncho menor: (0,06 ± 0,01) mm

Exposición: 4 h 30 min

Alto: (1,10 ± 0,01) mmAncho: (0,20 ± 0,01) mm

Desviación: (0,11 ± 0,01) mmExposición: 8 h

Resultados [1]

Conclusiones [1]

El haz de átomos se divide en dos; además, no hay átomos que no sean deflectados.

Los átomos que se desvían hacia el polo sur del imán, se ven sometidos a una fuerza cada vez mayor. A los otros le sucede lo contrario. El resultado se observa en las imágenes.

El ancho de los haces desviados es mayor a aquel que se obtiene sin campo magnético. Ello se debe a la distribución de velocidades de los átomos.

Agradecimientos: al Kaiser Wilhelm Instituts für Physik, y su director A. Einstein, por la beca recibida para la realización del experimento.

¡Falla!

Explicación Teórica (teoría clásica)

2l+1 valoresDebería ser

l=1/2¡Falla!

Explicación Teórica (cuantificación canónica)

Explicación Teórica (Stern y Gerlach) [3],[4]

Datos para el electroimán utilizado

Determinación de la desviación de los átomos

Modificaciones al experimento

• En 1926 los científicos T. E. Phipps y J. B. Taylor realizan un experimento similar al de Stern y Gerlach con átomos de hidrógeno. Con este experimento se confirma la existencia de un momento angular intrínseco del electrón, que luego será descrito por los físicos teóricos.

• También es de destacar el “método de Rabi”[6], utilizado para medir el momento magnético de electrones provenientes de átomos alcalinos. Este método utiliza haces de átomos que pasan por un selector con tres imanes, y busca encontrar, mediante el uso de un el campo magnético generado por un bobina, el coeficiente giromagnético del electrón (conocido el magnetón de Bohr)

¿Es el spin producido por la rotación del electrón sobre si mismo?Supongamos que el electrón tiene un radio r

e

Si creemos en la teoría de la relatividad, el spin no puede ser producido por la rotación del electrón sobre si mismo.

Explicación Final: momento angular intrínseco del electrón (spin)

El operador “s” de spin se comporta análogamente al de momento angular “L”. El autovalor de s2 es 1/2, y su componente en el eje z tiene autovalores ±1/2 (“cuantización espacial”).

Bibliografía[1] W. Gerlach y O. Stern, Zeitschrift für Physik, “Der experimentelle Nachweis der Richtungsquantelung im Magnetfeld” 9 (1922) 349.

[2] W. Gerlach y O. Stern, Zeitschrift für Physik, “Der experimentelle Nachweis des magnetischen Moments des Silberatoms” 8 (1921) 110.

[3] O. Stern, Zeitschrift für Physik, “Ein Weg zur experimentellen Prüfung der Richtungsquantelung im Magnetfeld” 7 (1921) 249.

[4] W. Gerlach y O. Stern, Zeitschrift für Physik, “Des magnetische Moment des Silberatoms.” 9 (1922) 353.

[5] O. Stern, Zeitschrift für Physik, “Eine direkte Messung der thermischen Molekulargeschwindigkeit” 2 (1920) 49.

[6] R. Feynman, R. Leighton y M. Sands, “Física: Volumen III”, Adisson-Wesley Iberoamericana (1987) A22.