斯特恩的UzM计划及其对近代物理学的影响
发布时间:2021-12-18 00:53
在完成了斯特恩-盖拉赫实验之后,斯特恩在汉堡大学创立了分子束方法研究中心,制定了以分子束方法探究当时物理学前沿问题的UzM计划.介绍了此一科学计划基本内容和实施过程,并讨论了其对近代物理学发展的影响.
【文章来源】:大学物理. 2020,39(11)
【文章页数】:7 页
【部分图文】:
拉比的分子束反射实验均匀磁场设计示意图
空间量子化进程实验于1931年开始,实验结果发表在1932年的《Nature》杂志上[10].如图2,斯特恩等人创造性地使用了3组磁场作为作用装置,B1和B2为不均匀磁场,B0为均匀磁场.钾原子束经过磁场B1,因角动量空间里量子化取向会分裂成两束(同斯特恩-盖拉赫实验中银原子),然后屏蔽掉其中的一束,剩下的那一束钾原子进入均匀磁场B0中,B0的磁场方向呈周期性的上下变换,变换频率用Tf表示.Tl,是钾原子在磁场中的拉莫尔进动频率.钾原子经过磁场B0后进入磁场B2,磁场B2主要是检测钾原子在通过磁场B0之后是否被重新定向,探测器P探测未被重新定向的钾原子强度.斯特恩等人发现,满足绝热条件时,当Tf>>Tl时,则不会观测到被重新定向的原子;而非绝热的条件下,只有当Tl尽可能大而Tf尽可能小,Tl和Tf具有相同的数量级,能够检测到被重新定向的钾原子.从实验装置图2,我们可以明显看出,UzM计划当中空间量子化过程实验,与斯特恩-盖拉赫实验装置的改进之处在于:1) 将原先的非均匀磁场,由1个增加为2个;2) 在两个非均匀磁场中间,加入了均匀磁场;3) 通过控制电流方向,使均匀磁场在空间方向上可以呈周期性变化.实际上,斯特恩等人在这个实验中,主要是想研究在迅速变化的弱磁场中定向原子核自旋的情况,却无意成为了最早关于核磁共振研究的根源,为拉比后来的分子束磁共振技术奠定了基础.因为只要将这个实验装置中随空间周期变化的磁场,变为随时间变化的振荡磁场,就是分子束磁共振方法的雏形了.在库恩(Thomas S Kuhn)对弗里什的采访中[6],弗里什提到:“我当时参与的一个实验是一个有争议的问题:改变磁场的分布,呈空间量子化的原子可以在不同状态间跃迁,这个问题也就是后来拉比开创的共振法最初的研究领域.而当时是没有共振这一说法……斯特恩和爱因斯坦讨论过这个问题,但是爱因斯坦否定了斯特恩的想法,我忘了爱因斯坦是怎么解释的,斯特恩尝试着用实验来反驳爱因斯坦.开始是一个美国人在做这个实验,但是没有成功.于是,我和塞格雷参与做这个实验,塞格雷重新组装了实验装置并使它真正工作起来.我认为共振法最早是受启发于这个实验.”
按照斯特恩的推测,钠原子经过特定光源光照区域照射,其速度变化应该为Δυ=2.93 cm/s,与原子的热运动平均速度105 cm/s相比非常小.斯特恩认为钠原子束运动方向的微小偏转,就是因为辐射反冲造成,偏转角φ值为 Δυ υ .斯特恩指出,要观察到钠原子运动方向的微小偏转,必须保证钠原子束足够窄和足够长,钠原子束的宽度不大于0.01 mm,束长至少长于10 cm[6].1933年,弗里什主持了UzM计划中的爱因斯坦光子反冲实验.如图3,从束源室O发射出来的钠原子,经过由S1和S2组成的准直器准直,形成一束宽0.01 mm、高2 mm的钠原子束.钠原子束再穿过长30 cm的D-Line(由共振光源发射的光)光照射的区域.弗里什通过探测器P,发现钠原子束的位移方向有微小改变,钠原子束变宽了.弗里什落实斯特恩的推测,经过D-Line光辐射反冲的钠原子,其动量的改变与爱因斯坦的理论值基本吻合.这个实验即UzM系列论文中的最后一篇.实验完成时,斯特恩对弗里什表示出极大的肯定,对他说:“大部分工作都是你自己做的” [15],论文以弗里什为第一作者发表.探测原子对于光子的反作用,这是物理学史上的第一个实验.也从此留下了以光来控制原子速度的重要线索.在上世纪70年代,由于激光技术的产生,光子对原子作用的研究在朱棣文手中得到发扬,最终导致激光冷却和原子捕获技术的诞生[1].
【参考文献】:
期刊论文
[1]奥托·斯特恩对质子磁矩的研究[J]. 汪亚平,宁长春,张辉杰,胡海冰. 大学物理. 2020(03)
[2]对奥托·斯特恩产生过重要影响的物理学家[J]. 宁长春,汪亚平,张辉杰,周毅. 大学物理. 2017(05)
本文编号:3541297
【文章来源】:大学物理. 2020,39(11)
【文章页数】:7 页
【部分图文】:
拉比的分子束反射实验均匀磁场设计示意图
空间量子化进程实验于1931年开始,实验结果发表在1932年的《Nature》杂志上[10].如图2,斯特恩等人创造性地使用了3组磁场作为作用装置,B1和B2为不均匀磁场,B0为均匀磁场.钾原子束经过磁场B1,因角动量空间里量子化取向会分裂成两束(同斯特恩-盖拉赫实验中银原子),然后屏蔽掉其中的一束,剩下的那一束钾原子进入均匀磁场B0中,B0的磁场方向呈周期性的上下变换,变换频率用Tf表示.Tl,是钾原子在磁场中的拉莫尔进动频率.钾原子经过磁场B0后进入磁场B2,磁场B2主要是检测钾原子在通过磁场B0之后是否被重新定向,探测器P探测未被重新定向的钾原子强度.斯特恩等人发现,满足绝热条件时,当Tf>>Tl时,则不会观测到被重新定向的原子;而非绝热的条件下,只有当Tl尽可能大而Tf尽可能小,Tl和Tf具有相同的数量级,能够检测到被重新定向的钾原子.从实验装置图2,我们可以明显看出,UzM计划当中空间量子化过程实验,与斯特恩-盖拉赫实验装置的改进之处在于:1) 将原先的非均匀磁场,由1个增加为2个;2) 在两个非均匀磁场中间,加入了均匀磁场;3) 通过控制电流方向,使均匀磁场在空间方向上可以呈周期性变化.实际上,斯特恩等人在这个实验中,主要是想研究在迅速变化的弱磁场中定向原子核自旋的情况,却无意成为了最早关于核磁共振研究的根源,为拉比后来的分子束磁共振技术奠定了基础.因为只要将这个实验装置中随空间周期变化的磁场,变为随时间变化的振荡磁场,就是分子束磁共振方法的雏形了.在库恩(Thomas S Kuhn)对弗里什的采访中[6],弗里什提到:“我当时参与的一个实验是一个有争议的问题:改变磁场的分布,呈空间量子化的原子可以在不同状态间跃迁,这个问题也就是后来拉比开创的共振法最初的研究领域.而当时是没有共振这一说法……斯特恩和爱因斯坦讨论过这个问题,但是爱因斯坦否定了斯特恩的想法,我忘了爱因斯坦是怎么解释的,斯特恩尝试着用实验来反驳爱因斯坦.开始是一个美国人在做这个实验,但是没有成功.于是,我和塞格雷参与做这个实验,塞格雷重新组装了实验装置并使它真正工作起来.我认为共振法最早是受启发于这个实验.”
按照斯特恩的推测,钠原子经过特定光源光照区域照射,其速度变化应该为Δυ=2.93 cm/s,与原子的热运动平均速度105 cm/s相比非常小.斯特恩认为钠原子束运动方向的微小偏转,就是因为辐射反冲造成,偏转角φ值为 Δυ υ .斯特恩指出,要观察到钠原子运动方向的微小偏转,必须保证钠原子束足够窄和足够长,钠原子束的宽度不大于0.01 mm,束长至少长于10 cm[6].1933年,弗里什主持了UzM计划中的爱因斯坦光子反冲实验.如图3,从束源室O发射出来的钠原子,经过由S1和S2组成的准直器准直,形成一束宽0.01 mm、高2 mm的钠原子束.钠原子束再穿过长30 cm的D-Line(由共振光源发射的光)光照射的区域.弗里什通过探测器P,发现钠原子束的位移方向有微小改变,钠原子束变宽了.弗里什落实斯特恩的推测,经过D-Line光辐射反冲的钠原子,其动量的改变与爱因斯坦的理论值基本吻合.这个实验即UzM系列论文中的最后一篇.实验完成时,斯特恩对弗里什表示出极大的肯定,对他说:“大部分工作都是你自己做的” [15],论文以弗里什为第一作者发表.探测原子对于光子的反作用,这是物理学史上的第一个实验.也从此留下了以光来控制原子速度的重要线索.在上世纪70年代,由于激光技术的产生,光子对原子作用的研究在朱棣文手中得到发扬,最终导致激光冷却和原子捕获技术的诞生[1].
【参考文献】:
期刊论文
[1]奥托·斯特恩对质子磁矩的研究[J]. 汪亚平,宁长春,张辉杰,胡海冰. 大学物理. 2020(03)
[2]对奥托·斯特恩产生过重要影响的物理学家[J]. 宁长春,汪亚平,张辉杰,周毅. 大学物理. 2017(05)
本文编号:3541297
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