Физика 20 века: ключевые эксперименты - Тригг Дж.
Скачать (прямая ссылка):
Поэтому естественно, что, когда Джордж Уленбек и Сэмюэл Гаудсмит в 1925
г. ввели понятие спина электрона и связанного с ним магнитного момента,
они выразили последний в единицах р0- Однако они обнаружили, что если
записать спиновый момент импульса в
152
виде sfi, где s = '/2. то собственный магнитный момент электрона равен не
sp0, a 2sp0-
Когда два или более электрона связаны в атоме, результирующий момент
импульса равен векторной сумме отдельных моментов, как орбитальных, так и
спиновых, и выражается как /й. Полный-магнитный момент также является
суммой отдельных моментов. Измеряемая его часть - это составляющая вдоль
вектора J, и ее также было бы желательно выразить как величину, кратную
J. Если бы не дополнительный множитель 2, выражение для полного
магнитного момента имело бы вид /ро-В действительности существует
дополнительный множитель, который зависит от того, как именно происходит
сложение отдельных моментов, и обозначается обычно gj, так что рЭфф =
giJ\i0. По аналогии было принято записывать рСобстВ = gsSpo, причем,
согласно гипотезе Уленбека и Гаудсмита, gs - 2. Вскоре после формулировки
этой гипотезы Эрнест Бек и Альфред Ланде измерили ps и обнаружили, что gs
действительно равно 2 с точностью до 0,1%- Когда выяснилось, что это
значение с необходимостью вытекает из релятивистской теории Дирака,
казалось, что оно надежно установлено.
Однако в 1947 г. Дж. Е. Нафэ, Е. В. Нельсон и И. И. Раби применили
разработанный Раби резонансный метод молекулярных пучков (см. гл. 6) для
измерения сверхтонкой структуры спектров водорода и дейтерия, связанной с
расщеплением энергетического уровня атома вследствие взаимодействия между
полным магнитным моментом электрона и магнитным моментом ядра. Полученные
значения для обоих атомов отличались от предсказанных теорией на одну и
ту же величину, примерно на 0,25%. Одно из объяснений, предложенное
(впрочем, весьма нерешительно) Грегори Брей-том, состояло в том, что
значение gs для электрона на равно в точности 1 2. Такое предположение
было продиктовано тем, что магнитный момент электрона дважды учитывался в
теоретических выкладках: во-первых, непосредственно как момент электрона,
т. е. одного из участников взаимодействия, и во-вторых, через него
1 Заметим, что всегда считалось - и считается до сих пор, --что протон во
всех отношениях хорошо описывается теорией Дирака, за исключением его
магнитного момента, который соответствует значению gs - 2,7,
163
наиболее точно выражался магнитный момент ядра. Поэтому Куш и Генри Фоли
поставили эксперимент по более точному определению этой величины путем
прямого измерения. Результаты, опубликованные впервые в Письмах в
редакцию журнала The Physical Review в 1948 г. (и позднее в подробной
статье, напечатанной в том же журнале в том же году), сводились к тому,
что значение gs равнялось не 2, а 2(1 + 1,19-10-4).
Использованная ими экспериментальная методика была вполне обычной для
того времени; необычным был* способ ее применения и интерпретация
полученных рё-зультатов.
"Отклонение величины магнитного момента электрона от общепринятого
значения, равного одному магнетону Бора, можно было бы обнаружить, точно
измеряя магнитный момент атома в состоянии, в котором связь спина
электрона с орбитальным угловым моментом достаточно хорошо известна. Для
измерения абсолютной величины магнитного момента требуется наблюдение
зеемановского расщепления этого уровня энергии в известном магнитном
поле. В настоящее время трудно создать такие магнитные поля, абсолютные
значения которых могли бы быть достаточно точно измерены и при этом были
бы удовлетворительны для постановки опыта по наблюдению зеемановского
расщепления в атомном пучке. Однако частоты линий зеемановского спектра
атомов, т. е., по существу, разности между энергетическими уровнями
атомов, можно определить при помощи хорошо разработанной методики с
точностью до Ю~4 или 0,5ДО-4, причем точность ограничивается лишь
статистическими ошибками, так что ее можно значительно повысить путем
многократного повторения наблюдений. Измеряя частоты линий зеемановского
спектра в двух атомных состояниях, возникающих в одном или разных атомах,
но при одном и том же постоянном магнитном поле, можно получить отношение
значений гиромагнитного отношения1 для этих двух состояний. Если векторы
спинового и орбитального моментов связаны в
1 Гиромагнитное отношение - это отношение магнитного момента частицы в
единицах магнетона Бора (для ядра - в ядерпыч магнетонах) к моменту
импульса в единицах ft; другими словами,, это любой из введенных выше g-
факторов.
154
обоих состояниях одинаково, измеренное отношение не даст информации
относительно фундаментальной величины g-фактора для свободного электрона.
Если же спин-орбитальная связь в этих двух состояниях различна, значение
спинового g-фактора электрона может быть определено через значение его-
орбитального g-фактора при условии, что мы располагаем необходимой
