38 物理实验 第33卷 励磁电流越大，即识越大，蜂位越大，双 对学生增强量子观念的意义不言而喻 作为一个教学型的实验，该实验不是精确悲 峰间距为△，也越大，这验证了式(4)的正确性 量磁矩的方法，实验曲线（图5）与理论曲线（图） 根据式(4)可求得朗德因子 有一定偏差，原因分析如下： g=. 436k7 (14) 1)磁场前的独缝为O4mm×4mm的折开 孔，限定了原子束为 矩形截面，并非细束，入射 对钾原子，双峰磁量子数之差△m=1,玻尔 原子具有一定的发散性 磁子m=9.27×10-4A·m,表1中给出由实 2)原子束在磁场中发生偏转后，在探测平面 验得峰蜂距△g计算因子的结果，其中磁场 内纵向分布是双峰形，而横向分布则是弧线：探针 梯度由经验曲线根据励磁电流的大小查表获得】 要获得较大的电流，探测面积要大，这对精确测定 g因子值与标准值2非常相近 当然也可以把 纵向：是不利的 g=2作为已知量来求g,并与标准值比较 3)实验时培炉温度、磁场梯度，探针电流等数 据需要详细校准，限于条件，多采用推荐值或者经 表1Serm-Gerlach实验求朗德因子的结果 给曲线，这带来一定提弟 该实验也为学生的创新研究提供了很名理 /A是/T·m)d/mm 题，例如非均匀磁场的获得四、 多级狭缝对原子宋 0.5 2.61 2.25 的准直过程对结果峰形的影响，预测其他种为 0.8 3.60 2,01 原子的沉积峰形，运用蒙特卡洛方法对原子速率 1.0 298 4.15 1.98 和方向进行抽样并开展计算模拟研究等，都是很 好的谍题 6讨论 致：感谢陈长思老师提供的实验数据，感 王军老师给予的帮助和指点，也感谢先后参与研 原子束经过不均匀磁场后具有双峰分布，直 究的焦方凯、付国、王轩、张全更、孟祥鹏、武欢椰 接证实了原子磁矩空间取向的量子化.如果原子 等学生. 磁矩可以为任意值，也不会有双峰结果，这也证明 了磁矩大小的量子化 参考文献： 对于K原子，双峰对应的m=士1/2米自于 电子自旋贡献，证实了电子自旋的存在，所得： atomie physics[Physic 因子近似为2，证实电子磁矩为经典磁矩的2倍 假设的正确性 [2] [C]//Lar 通过该实验获得原子的角动量量子数和 194 朗德因子g,计算原子磁矩，可用来了解原子内部 [3 杨家.原子物理学[M].3版。北京：高教出版 自旋与轨道运动的相互作用。 从实验测得的峰形分布特征，也间接证实了 [4 Reinisch G.Stern-Gerlach experiment asthe pio 麦克斯韦速度分布律的正确性，现在很少有实验 eerand probably the simp 仪器给学生验证 重要分布律 test Physics Leters A.1999.259(6) 27-30 通过该实验，学生还能系统学习真空获得、真 空测量、原子束获得和原子束探测的原理与技术， [5】孙璞，战鹤.Stern-Gerlach实验中蕴含的动力学 但也增加了实验的复杂性.原子束的种类相对单 量子退相干月思[J].自然科学进展，1999,9(5) 300404 [6]何元金，马兴坤.近代物理实验[M们.北京：清华大 学出5t,2003.260267 则应该会有更多峰形，设备也将更加复杂和昂贵 []商立模，新健，斯特恩盖拉赫实验中垂匀强磁场的 “准备时间长、数据很简单”是该实验的特点，但它 等效和钾原子的速度分布[J门.物理实验，1990,10 1994-2015 China Academic Joural Electronic Publishing House.All rights reserved http://www.cnki.net 励磁电流ＩＭ 越大，即Ｂｚ ｚ越大，峰位越大，双 峰间距为 Δｚｐ 也越大，这验证了式（４）的正确性． 根据式（４）可求得朗德因子 ｇ＝ Δｚｐ６ｋＴ ΔｍμＢｄＤＢｚ ｚ ． （１４） 对钾原 子，双 峰 磁 量 子 数 之 差 Δｍ＝１，玻 尔 磁子μＢ＝９．２７×１０－２４ Ａ·ｍ２，表１中 给 出 由 实 验得峰 －峰距 Δｚｐ 计 算ｇ 因 子 的 结 果，其 中 磁 场 梯度由经验曲线根据励磁电流的大小查表获得， ｇ因子值 与 标 准 值 ２ 非 常 相 近．当 然 也 可 以 把 ｇ＝２作为已知量来求μＢ，并与标准值比较． 表１ Ｓｔｅｒｎ－Ｇｅｒｌａｃｈ实验求朗德因子的结果 Ｉ／Ａ Ｂｚ ｚ／（Ｔ·ｍ－１） Δｚｐ／ｍｍ ｇ ０．５ １６５ ２．６１ ２．２５ ０．８ ２５４ ３．６０ ２．０１ １．０ ２９８ ４．１５ １．９８ ６ 讨 论 原子束经过不均匀磁场后具有双峰 分 布，直 接证实了原子磁矩空间取向的量子化．如果原子 磁矩可以为任意值，也不会有双峰结果，这也证明 了磁矩大小的量子化． 对于 Ｋ 原子，双峰对应的 ｍ＝±１／２来自于 电子自旋 贡 献，证 实 了 电 子 自 旋 的 存 在，所 得 ｇ 因子近似为２，证 实 电 子 磁 矩 为 经 典 磁 矩 的２倍 假设的正确性． 通过该实验获得原子的角动量量子数 Ｊ 和 朗德因子ｇ，计算原子磁矩，可用来了解原子内部 自旋与轨道运动的相互作用． 从实验测得的峰形分布特征，也间接 证 实 了 麦克斯韦速度分布律的正确性，现在很少有实验 仪器给学生验证这一重要分布律． 通过该实验，学生还能系统学习真空获得、真 空测量、原子束获得和原子束探测的原理与技术， 但也增加了实验的复杂性．原子束的种类相对单 一，多采用碱金属原子，实验结果为双峰束形；如 果采用现代离子源技术产生碳、氮、氧等原子束， 则应该会有更多峰形，设备也将更加复杂和昂贵． “准备时间长、数据很简单”是该实验的特点，但它 对学生增强量子观念的意义不言而喻． 作为一个教学型的实验，该实验不是 精 确 测 量磁矩的方法，实验曲线（图５）与理论曲线（图３） 有一定偏差，原因分析如下： １）磁场前的狭缝为０．４ｍｍ×４ｍｍ 的 矩 形 孔，限定了原子束为一矩形截面，并非细束，入射 原子具有一定的发散性． ２）原子束在磁场中发生偏转后，在探测平面 内纵向分布是双峰形，而横向分布则是弧线；探针 要获得较大的电流，探测面积要大，这对精确测定 纵向ｚ是不利的． ３）实验时熔炉温度、磁场梯度、探针电流等数 据需要详细校准，限于条件，多采用推荐值或者经 验曲线，这带来一定误差． 该实验也为学生的创新研究提供了很多课 题，例如非均匀磁场的获得［７］、多级狭缝对原子束 的准直过程对结果峰形的影响［１３］，预测其他种类 原子的沉积峰形，运用蒙特卡洛方法对原子速率 和方向进行抽样并开展计算模拟研究等，都是很 好的课题． 致谢：感谢陈长恩老师提供的实验数据，感谢 王军老师给予的帮助和指点，也感谢先后参与研 究的焦方凯、付园、王轩、张金曼、孟祥鹏、武欢娜 等学生． 参考文献： ［１］ ＦｒｉｅｄｒｉｃｈＢ，ＨｅｒｓｃｈｂａｃｈＤ．ＳｔｅｒｎａｎｄＧｅｒｌａｃｈ：Ｈｏｗａ ｂａｄｃｉｇａｒｈｅｌｐｅｄｒｅｏｒｉｅｎｔａｔｏｍｉｃｐｈｙｓｉｃｓ［Ｊ］．Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｔｏｄａｙ，２００３，５６（１２）：５３－５９． ［２］ Ｓｔｅｒｎ．ＴｈｅＭｅｔｈｏｄｏｆＭｏｌｅｃｕｌａｒＲａｙｓ［Ｃ］／／Ｌａｒｓ Ｇ．ＮｏｂｅｌＬｅｃｔｕｒｅｓｉｎＰｈｙｓｉｃｓ１９４２－１９６２．Ａｍｓｔｅｒ－ ｄａｍ：ＥｌｓｅｖｉｅｒＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＣｏｍｐａｎｙ，１９６４：８－１６． ［３］ 杨 福 家．原 子 物 理 学［Ｍ］．３版．北 京：高 教 出 版 社，２０００：１５７－１５９． ［４］ Ｒｅｉｎｉｓｃｈ Ｇ．Ｓｔｅｒｎ－Ｇｅｒｌａｃｈｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｓｔｈｅｐｉｏ－ ｎｅｅｒ－ａｎｄｐｒｏｂａｂｌｙｔｈｅｓｉｍｐｌｅｓｔ－ｑｕａｎｔｕｍ ｅｎｔａｎｇｌｅ－ ｍｅｎｔｔｅｓｔ［Ｊ］．ＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓＡ，１９９９，２５９（６）： ４２７－４３０． ［５］ 孙昌 璞，战 鹤．Ｓｔｅｒｎ－Ｇｅｒｌａｃｈ实验中蕴含的动力 学 量子退相干 问 题 ［Ｊ］．自 然 科 学 进 展，１９９９，９（５）： ３９９－４０４． ［６］ 何元金，马兴坤．近代物 理 实 验［Ｍ］．北 京：清 华 大 学出版社，２００３：２６０－２６７． ［７］ 高立模，靳健．斯特恩－盖拉赫实验中非匀强磁场 的 等效和钾原子 的 速 度 分 布［Ｊ］．物 理 实 验，１９９０，１０ ８３ 物 理 实 验 第３３卷