Modern Fizik · 6. Ünite: Kuantum Mekaniğinde Hidrojen Atomu

Elektron Spini ve Stern-Gerlach Deneyi

Stern-Gerlach deneyi, gümüş atomlarından oluşan bir demetin eşit olmayan bir manyetik alandan geçerken sürekli bir bant yerine yalnızca iki lekeye ayrıldığını gösterdi ve elektronun içsel açısal momentumunu (spin) ortaya çıkardı. Bu konuda spin-1/2 sisteminin $S=\tfrac{\sqrt3}{2}\hbar$, $S_z=\pm\tfrac\hbar2$ değerlerini, $\vec\mu=-g_s\mu_B\vec S/\hbar$ manyetik momentini, mıknatıs içindeki kuvvet ve sapma hesabını ve ardışık ölçümlerde ($\cos^2(\theta/2)$ olasılığıyla) spin durumlarının nasıl davrandığını çözebileceksin.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Sürekli mi, Ayrık mı?

  2. Spin ve Manyetik Moment

  3. Düzenek: Kuvvet ve Sapma Hesabı

  4. Spin Durumları ve Ardışık Ölçümler

  5. Uzay Kuantizasyonu ve Genelleme

  6. Çözümlü Örnekler

  7. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

Anahtar terimler

Spin
Elektronun yörüngeden bağımsız içsel açısal momentumu: $S=\sqrt{3}\hbar/2$, $S_z=\pm\hbar/2$.
Stern-Gerlach deneyi
Nötr atom demetinin eşit olmayan manyetik alandan geçirilerek $\mu_z$'ye göre ayrık demetlere ayrıldığı 1922 deneyi.
Bohr magnetonu (μ_B)
$\mu_B=e\hbar/2m_e=9{,}274\times10^{-24}\,\text{J/T}=5{,}788\times10^{-5}\,\text{eV/T}$; atomik manyetik moment birimi.
Spin g-faktörü (g_s)
Spin manyetik momentinin $\mu_B S/\hbar$ cinsinden katsayısı; Dirac'a göre 2, QED ile $2{,}0023$.
Uzay kuantizasyonu
Açısal momentumun bir eksendeki bileşeninin yalnızca $2j+1$ ayrık değer alabilmesi.
Uyumsuz (komüte etmeyen) gözlenebilirler
$[S_x,S_z]\neq0$ olduğundan aynı anda keskin değer alamayan ve birbirinin bilgisini silen ölçümler.
Born kuralı
Ölçüm sonucunun olasılığının, özdurum katsayısının kare modülü olduğunu söyleyen kural; spin-1/2 için $\cos^2(\theta/2)$.
Pauli matrisleri
Spin-1/2 işlemcilerini $\vec S=\tfrac\hbar2\vec\sigma$ ile temsil eden $2\times2$ matrisler.

Örnek soru

Gümüş (Ag) atomlarından oluşan bir demet, eşit olmayan bir manyetik alandan geçirilip ekrana düşürülüyor. Ekranda ne gözlenir?

  1. Ortası dolu, sürekli geniş bir bant
  2. Sapmamış tek bir leke
  3. $m_l=-1,0,+1$'e karşılık üç ayrık leke
  4. Ortası boş, iki ayrık leke
  5. İki tepe ve aralarında sürekli bir dağılım

Doğru cevap: D

Çözüm

1. Klasik beklenti: moment yönleri rastgele olduğundan $\mu_z$ sürekli dağılır ve ekranda sürekli bant görülür (A).
2. Ag temel durumunda $l=0$ olduğundan yörünge manyetik momenti yoktur; üç leke ($2l+1=3$) beklenmez.
3. Gözlem: elektron spini $m_s=\pm\tfrac12$ yalnızca iki $\mu_z$ değeri verir.
Cevap: ortası boş iki ayrık leke.

Modern Fizik: tüm konular