Stern-Gerlach deneyi

Stern-Gerlach deneyi Alman fizikçi
Otto Stern ve Walther Gerlach tarafından isimlendirilen taneciklerin sapmasının kuantum mekaniği alanında önemli bir deneydir. 1922
yılında Otto Stern ve Walther Gerlach tarafından
gerçekleştirilen bu deney, genellikle parçaçıkların saçınımını kullanarak
kuantum mekaniğinin temel noktalarını açığa çıkarması açısından önemlidir. Bu
deney elektronların ve atomların özünde kuantum özelliklerine sahip olduğunu ve
ölçülürken kuantum mekaniğinin sistemi nasıl etkilediğini ispat etmek için
yapılmaktadır.

Basit Teori ve Tanımlama

Stern-Gerlach deneyi homojen
olmayan manyetik alana doğru tanecik demetleri göndermeyi ve bu taneciklerin sapmalarını
gözlemlemeyi içerir. Sonuçlar taneciklerin özünde klasik olarak dönen objelerin
açısal momentumuna yakından benzeyen fakat sadece kesin değerlerle
nicelendirilen açısal momentuma sahip olduğunu gösterir. Bir diğer önemli sonuç
ise, sadece bir parçacığın dönme bileşeni aynı anda ölçülebilir bunun anlamı z
ekseni boyunca dönme ölçümü, x ve y eksenleri boyunca parçacığın dönme
bilgilerini yok eder.
Stern-Gerlach deneyi normal olarak
elektriksel nötr parçacık ya da atomların iletilmesi için kullanılmaktadır. Bu
manyetik alana doğru hareket eden yüklü parçacığın yörüngesi ve dönme-bağımlı
etkilere izin vererek hakim olmak için büyük sapmalardan kaçınır. Eğer parçacık klasik olarak dönen dipol olarak davranırsa, manyetik alanın
dipolün üzerine uyguladığı dönme momentumu dolayısıyla manyetik alan gibi
devinecektir. Parçacık homojen manyetik alana doğru hareket ettiği takdirde,
dipolün zıt uçlarındaki birbirlerini nötrleyen yüklere etki eden kuvvet
kaybolur ve parçacığın yörüngesi etkisiz hale getirilecektir. Fakat, manyetik
alan homojen olmadığı takdirde, dipolün bir ucundaki kuvvet diğer uçtaki
kuvvetten parçacığın yörüngesinin yönünü değiştiren net kuvvet olması için
ihmal edilecek kadar büyük olacaktır. Eğer parçacık klasik olarak dönebilen
objeler olsaydı, açısal momentum vektörlerinin dağılımının belirsiz ve devamlı olması beklenirdi. Her bir parçacık dedektör ekranında bazı yoğunluk dağıtıcı
üreten farklı miktar tarafından saptırılır. Bunun karşılığında, Stern-Gerlach
düzeneğine giden parçacıkların belirli miktarlar tarafından aşağı ya da yukarı
yönü değiştirilir. Bu, kuantumun gözlenebilirliğinin ölçüsüydü. Günümüzde,
dönebilen olarak bilinir ve gözlenebilirliğin nokta spektrumu olduğu yerde
ölçümün mümkün sonucunun olduğunu kanıtlar. Atomik spektrum gibi aralıklı
kuantum olayları olmasına rağmen, Stern-Gerlach deneyi bilim adamlarına
süperpose olmuş kuantum durumlarının ölçümlerini yürütmek için bilim tarihinde
ilk kez izin vermiştir.
Günümüzde teoriksel olarak kuantum açısal hızına sahip
olan herhangi bir tür "belli bir dereceye kadar enerji içermek" olarak da
bilinen kesik spektruma sahiptir.
Eğer deney elektron gibi yüklü taneciklerle
iletilirse, halkada yönü çevirmeye eğilimli Lorentz kuvveti oluşur. Bu kuvvet yüklü
parçacığın yolunu çapraz duruma getirmek için uygun büyüklükteki elektrik alanı
tarafından etkisiz hale getirilebilir.
Elektronlar dönen parçacıklardır. (Stern-Gerlach ile serbest elektronların
varolamayacağı not edilmelidir.) Bunlar herhangi bir eksen boyunca ölçülen,
tamamen quantum mekaniksel olay olan, ve mümkün olabilen dönme açısal momentum
değerleridir. Çünkü bu değerler hep aynıdır, elektronların kesin değerleri
olarak görülür ve bazen kesin açısal momentum olarak da bilinir. (Diğer
taneciklerin mevcut olmasına bağlı ve çeşitli olabilen orbital açısal momentumdan
ayırmak için). Elektronlar için eksenle ölçülen dönme açısal momentum için iki
olası değer vardır.  Aynı bilgi üçer
kuark içeren nötron ve proton için doğrudur. Fakat, üç kuarklar birbirlerini
nötrleyen çiftlere sahip değildir ve karşıt parçacığa net yarım dönme veren
üçüncü kuark ‘Proton dönüm noktasından önce inanılan olarak keşfedilmiştir. Çünkü,
nükleonların asıl dönmeleri asıldan çok orbitaldir. Diğer parçacıklar mümkün
olan farklı dönme değerlerine sahiptir. Delta baryonları, +³⁄₂ parçacıklar ve dört mümkün momentum değeri olarak dönerler. Vektör mezonları,
W ve Z bozonları gibi -1 dönme sayısına ve üç mümkün olan dönme açısal momentum
değerine sahip olan parçacıklardır.
Matematiksel olarak yarım dönme sayısına sahip parçacıkları tanımlamak için, Dirac’ın bra-ket gösterimini kullanmak en kolayıdır. Parçacıklar
Stern-Gerlach düzeneğine doğru giderken, dönmenin aşağı mı yukarı mı olduğunu
çözen dedektör tarafından gözlemlenirler. Bunlar izin verilen mümkün değerleri, +ħ/2 ya da −ħ/2, alabilen açısal momentum
numarası, j, tarafından tanımlanır. Matematiksel terim olarak:
C değerleri compleks numaralardır. Mutlak değerlerinin karesi, j'nin iki olası değerlerinin bulunabildiği durumdaki ihtimaline karar verir. Sabitler değerlerin bulunabilmesi için normalleştirilmelidir. Bu nedenle sadece mutlak değerlerde verimli olmaktadır.

Sıralı Deneyler

Eğer birçok Stern-Gerlach düzeneklerini birleştirirsek, açıkça görebiliriz ki, düzenekler basit ayırıcılar olarak davranmazlar. Fakat kuantum mekaniği yasalarına göre değişen durum, ışık kutuplaşması gibi, gözlenir.

Tarihçe

Stern-Gerlach deneyi 1922 yılında
Otto Stern ve Walther Gerlach tarafından Frankfurt, Almanya'da gerçekleştirildi. Bu
yıllarda Stern, Frankfurt Üniversitesi Teoretiksel Fizik Enstitüsü'nde Max Born’un asistanıydı. Gerlach is aynı üniversitenin Deneysel Fizik Enstitüsü'nde
asıstandı.
Deneyin yapıldığı zamanlarda atomu tanımlayan en öncelikli model,
elektronların pozitif yüklü çekirdeklerin etrafında sadece kesin ayrık atomik orbitallerde veya enerji seviyelerinde olduğunu belirten Bohr atom modeliydi.
Elektronlar uzayda kesin pozisyonda olmak için belirli dereceye kadar enerji
içerdiğinden beri, ayrık orbitlerin içindeki farklılıklar uzay kuvantumlama
olarak refere edilir. Stern-Gerlach deneyi gümüş atomunun açısal momentumunun
yönünün belirli dereceye kadar enerji içerdiği anlamına gelen Bohr-Sommerfeld
hipotezini test etmek için yapılmıştır.
Deneyin Uhlenbeck ve Goudsmit dönen elektronun varolduğu hipotezini
formüle dökmeden yıllar önce yapıldığı not edilmelidir. Stern-Gerlach deneyinin sonuçları daha
sonradan quantum mekaniğinin yarım dönebilen parçacık tahminlerine katılır bir
hale dönüşse de, deney Bohr-Sommerfeld teorisinin onayı olarak görülmelidir.
1927 yılında, T.E. Phipps ve J.B.
Taylor, gümüş atomunun kullanımının neden olabileceği herhangi bir şüpheyi
gümüş atomları kullanarak eleyerek böylece en alt seviyedeki hidrojen
atomlarının kullanım etkilerini yeniden üretmiştir.