在完成了斯特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)之后,斯特恩在漢堡大學(xué)創(chuàng)立了分子束方法研究中心,制定了以分子束方法探究當(dāng)時(shí)物理學(xué)前沿問題的UzM計(jì)劃.介紹了此一科學(xué)計(jì)劃基本內(nèi)容和實(shí)施過程,并討論了其對近代物理學(xué)發(fā)展的影響. 

【文章來源】：大學(xué)物理. 2020,39(11)

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

拉比的分子束反射實(shí)驗(yàn)均勻磁場設(shè)計(jì)示意圖

空間量子化進(jìn)程實(shí)驗(yàn)于1931年開始,實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表在1932年的《Nature》雜志上[10].如圖2,斯特恩等人創(chuàng)造性地使用了3組磁場作為作用裝置,B1和B2為不均勻磁場,B0為均勻磁場.鉀原子束經(jīng)過磁場B1,因角動量空間里量子化取向會分裂成兩束(同斯特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)中銀原子),然后屏蔽掉其中的一束,剩下的那一束鉀原子進(jìn)入均勻磁場B0中,B0的磁場方向呈周期性的上下變換,變換頻率用Tf表示.Tl,是鉀原子在磁場中的拉莫爾進(jìn)動頻率.鉀原子經(jīng)過磁場B0后進(jìn)入磁場B2,磁場B2主要是檢測鉀原子在通過磁場B0之后是否被重新定向,探測器P探測未被重新定向的鉀原子強(qiáng)度.斯特恩等人發(fā)現(xiàn),滿足絕熱條件時(shí),當(dāng)Tf>>Tl時(shí),則不會觀測到被重新定向的原子;而非絕熱的條件下,只有當(dāng)Tl盡可能大而Tf盡可能小,Tl和Tf具有相同的數(shù)量級,能夠檢測到被重新定向的鉀原子.從實(shí)驗(yàn)裝置圖2,我們可以明顯看出,UzM計(jì)劃當(dāng)中空間量子化過程實(shí)驗(yàn),與斯特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)之處在于:1) 將原先的非均勻磁場,由1個(gè)增加為2個(gè);2) 在兩個(gè)非均勻磁場中間,加入了均勻磁場;3) 通過控制電流方向,使均勻磁場在空間方向上可以呈周期性變化.實(shí)際上,斯特恩等人在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,主要是想研究在迅速變化的弱磁場中定向原子核自旋的情況,卻無意成為了最早關(guān)于核磁共振研究的根源,為拉比后來的分子束磁共振技術(shù)奠定了基礎(chǔ).因?yàn)橹灰獙⑦@個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中隨空間周期變化的磁場,變?yōu)殡S時(shí)間變化的振蕩磁場,就是分子束磁共振方法的雛形了.在庫恩(Thomas S Kuhn)對弗里什的采訪中[6],弗里什提到:“我當(dāng)時(shí)參與的一個(gè)實(shí)驗(yàn)是一個(gè)有爭議的問題:改變磁場的分布,呈空間量子化的原子可以在不同狀態(tài)間躍遷,這個(gè)問題也就是后來拉比開創(chuàng)的共振法最初的研究領(lǐng)域.而當(dāng)時(shí)是沒有共振這一說法……斯特恩和愛因斯坦討論過這個(gè)問題,但是愛因斯坦否定了斯特恩的想法,我忘了愛因斯坦是怎么解釋的,斯特恩嘗試著用實(shí)驗(yàn)來反駁愛因斯坦.開始是一個(gè)美國人在做這個(gè)實(shí)驗(yàn),但是沒有成功.于是,我和塞格雷參與做這個(gè)實(shí)驗(yàn),塞格雷重新組裝了實(shí)驗(yàn)裝置并使它真正工作起來.我認(rèn)為共振法最早是受啟發(fā)于這個(gè)實(shí)驗(yàn).”

按照斯特恩的推測,鈉原子經(jīng)過特定光源光照區(qū)域照射,其速度變化應(yīng)該為Δυ=2.93 cm/s,與原子的熱運(yùn)動平均速度105 cm/s相比非常小.斯特恩認(rèn)為鈉原子束運(yùn)動方向的微小偏轉(zhuǎn),就是因?yàn)檩椛浞礇_造成,偏轉(zhuǎn)角φ值為 Δυ υ .斯特恩指出,要觀察到鈉原子運(yùn)動方向的微小偏轉(zhuǎn),必須保證鈉原子束足夠窄和足夠長,鈉原子束的寬度不大于0.01 mm,束長至少長于10 cm[6].1933年,弗里什主持了UzM計(jì)劃中的愛因斯坦光子反沖實(shí)驗(yàn).如圖3,從束源室O發(fā)射出來的鈉原子,經(jīng)過由S1和S2組成的準(zhǔn)直器準(zhǔn)直,形成一束寬0.01 mm、高2 mm的鈉原子束.鈉原子束再穿過長30 cm的D-Line(由共振光源發(fā)射的光)光照射的區(qū)域.弗里什通過探測器P,發(fā)現(xiàn)鈉原子束的位移方向有微小改變,鈉原子束變寬了.弗里什落實(shí)斯特恩的推測,經(jīng)過D-Line光輻射反沖的鈉原子,其動量的改變與愛因斯坦的理論值基本吻合.這個(gè)實(shí)驗(yàn)即UzM系列論文中的最后一篇.實(shí)驗(yàn)完成時(shí),斯特恩對弗里什表示出極大的肯定,對他說:“大部分工作都是你自己做的” [15],論文以弗里什為第一作者發(fā)表.探測原子對于光子的反作用,這是物理學(xué)史上的第一個(gè)實(shí)驗(yàn).也從此留下了以光來控制原子速度的重要線索.在上世紀(jì)70年代,由于激光技術(shù)的產(chǎn)生,光子對原子作用的研究在朱棣文手中得到發(fā)揚(yáng),最終導(dǎo)致激光冷卻和原子捕獲技術(shù)的誕生[1].

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]奧托·斯特恩對質(zhì)子磁矩的研究[J]. 汪亞平,寧長春,張輝杰,胡海冰.  大學(xué)物理. 2020(03)
[2]對奧托·斯特恩產(chǎn)生過重要影響的物理學(xué)家[J]. 寧長春,汪亞平,張輝杰,周毅.  大學(xué)物理. 2017(05)



本文編號：3541297