تجربة شتيرن-غيرلاخ

تجربة شتيرن-غيرلاخ (بالإنجليزية: Stern–Gerlach experiment)، سميت التجربة باسم عالمي الفيزياء الألمان أوتو شتيرن والتر جيرلاخ، وهي تجربة هامة في ميكانيكا الكم عن انحراف الجسيمات الأولية عند مروره خلال مجال مغناطيسي غير متجانس بسبب العزم المغناطيسي للجسيم. أجريت التجربة في عام 1922 وتوصل العلماء بعد ذلك على أساسها إلى معرفة أن للإلكترون عزم مغزلي كمومي مقداره 1/2 ، يسمى Spin.
أجريت تجربة شتيرن -غيرليتش عام 1922 لأثبات صحة  نظرية الكم  التي أفادت بأن كمية الحركة المدارية للإلكترون حول النواة كمومية (أي تتخذ قيم محددة منفصلة) . أجريت التجربة باستخدام مغناطيس طويل يبلغ طوله نحو 1 متر مشكلة قطبيه بحيث يعطيان مجالا مغناطيسيا غير متجانس . وأختيرت ذرات الفضة لتمر بين قطبي المغناطيسي حيث أن لها عزما مغناطيسيا ، يمكن أن يتفاعل مع المجال المغناطيسي للمغناطيس ؛ ومشاهدة نتيجة ذلك خلف المغناطيس .
وباستخدام هذا المبدأ على نموذج ذرة الهيدروجين أدى إلى احتساب نصف قطر مدار الإلكترون المسموح أن يشغله حول النواة ، وكذلك حساب السرعات التي يمتلكها الإلكترون حول النواة ، وكذلك حساب الطاقة الكلية للإلكترون.
أدت نتائج تجربة شتيرن - جيرلاخ إلى تطبيقات مفيدة  في مجال التشخيص الطبي والصناعة.

التجربة

تتكون هذه التجربة من مغناطيس طويل  ينتج حقلا مغناطيسيا غير متجانس عن طريق تشكيل خاص لقطبيه . فقد شكّل القطب الشمالي مدببا فتكون شدة الحقل المغناطيسي كبيرة عند منشئه ، بينما القطب الجنوبي مقعرا بحيث يقل عنده شدة الحقل المغناطيسي ؛ أي ينتج هذا المغناطيس مجالا مغناطيسيا غير متجانس). وقام العلمان "شتيرن" و"غيرلاخ"  بتسخين عينة من الفضة في فرن كهربائي فتنطلق حزمة من ذرات الفضة وتمر خلال  هذا المجال المغناطيسي الغير منتظم . خلف المغناطيس يوجد لوح زجاجي يمكن لذرات الفضة الترسب عليه بعد مرورها بين قطبي المغناطيس.
وجد ان ذرات الفضة تترسب في بقعتين منفصلتين ؛ وهذا معناه أن المجال المغناطيسي الخارجي يفصل شعاع الفضة إلى شعاعين .

خصائص ذرة الفضة

لم يكن العزم المغزلي للإلكترون معروفا وقت شتيرن وجيرلاخ . ولكن كان معروفا أن العزم المغناطيسي لذرة يتكون من محصلة العزم المداري لجميع الإلكترونات فيها، حيث يمكن اهمال العزم المغناطيسي الناشيء عن النواة الذرية . ولكن ذرة الفضة لها عزم مغناطيسي متمثل في الـ spin  الذي يمتلكه الإلكترون الموجود في غلافها 
5s , لأن جميع الإلكترونات الأخرى في ذرة الفضة لها عزما مداريا يساوي 0 طبقا لنموذج الأغلفة الإلكترونية الكاملة في الذرات.
الإلكترون 5s في ذرة الفضه - وهو الغلاف الخارجي - له عدد الكم المداري      (حيث ليس له عزما مداريا).  فتكون محصلة العزم المداري لذرة الفضة مكونة من العزم المغزلي spin لهذا  لإلكترون فقط ، وتتصرف ذرة الفضة بأكملها كجسيم له عدد كمي مغزلي  1/2 . ولكن الفرق بين الإلكترون وذرة الفضة أن ذرة الفضة متعادلة كهربائيا أما الإلكترون فهو يحمل وحدة الشحنة الكهربية . وبناء على ذلك لن تتأثر  ذرة الفضة بقوة لورينتز أثناء مرورها في المجال المغناطيسي . ويكون التأثير الحاصل هو تفاعل العزم  المغناطيسي لذرة الفضة مع المجال المغناطيسي الخارجي الغير متجانس .
وجد أن ذرات الفضة تترسب في بقعتين منفصلتين على لوح الزجاج الموجود خلف المغناطيس.

عودة إلى التاريخ

تمت تجربة شتيرن-جيرلاخ في فبراير من عام 1922 في مبنى الاتجاد الفيزيائي في مدينة فرانكفوت أم ماين بألمانيا. 
وكانت النتيجة مفاجئة ، حيث أنها تدل على جسيمات لها عزم دوراني 1/2  ، لم يكن معروفا حتى ذلك الحين. وقد استخدم العالمان الفيزيائيان الفضة لأسباب عملية حيث يمكن تعيينه على اللوحة الزجاجية .
وكانا قد أثبتا قبل ذلك أن ذرة الفضة لها عزما مغناطيسيا في حالتها الأرضية المستقرة يختلف عن الصفر . وبعد قيامهم بقياس  لهذا العزم المغناطيسي
 تبين أنه يعطي المقدار المنتظر , 1 مغنطون بور. بالنسبة إلى نموذج بور - سومرفيلد للذرة يكون لعزم دوران مقداره عدد الكم المداري   = 1 . وبناء على ذلك انتظر العالمان  انشقاق شعاع الفضة إلى ثلاثة أشعة طبقا للمعادلة      ، ولكنهما لم يجدا الشعاع الوسطي من  التجربة.
تبين من ذلك وجود تأثير مرئي من خلال التجربة وهو "كمومية الاتجاه" ، ولكن تفسير تلك المشاهدة لم يتوصل إليه العلماء إلى في عام 1925 باكتشافهم العزم المغزلي للإلكترون . وفي عام 1927 أجرى العالمان الفيزيائيان "فيليب" و " تايلور" تجربة شتيرن-جيرلاخ على ذرات الهيدروجين  وحصلا أيضا على شعاعين منفصلين لذرات الهيدروجين.
واكتشف أن العزم المغزلي للإلكترون - وهو الحامل الفعلي للعزم المغناطيسي لذرة ما - له عدد كم مغزلي يساوي 1/2.