Die Entdeckung des Elektronenspins – Der Stern-Gerlach-Versuch

1. Die Entdeckung des Elektronenspins – Der Stern-Gerlach-Versuch

2. Gliederung • Einleitung • Historische Einordnung • Das Bohrsche Atommodell • Der Drehimpuls des Elektrons • Offene Fragen • Der Stern Gerlach Versuch • Grundlagen • Der Versuch • Folgerungen • Der Spin • Zusammenfassung von Spin und Bahndrehimpuls • Spin-Bahn-Kopplung • Der Zeemann-Effekt • Pauli-Prinzip • Zusammenfassung

3. Einleitung • Entdeckung des Spins in den 30er Jahren des 19. Jhd. • 1922: Otto Stern und Walter Gerlach wollen experimentell die Quantelung des Drehimpulses nachweisen • 1925: Wolfgang Pauli, George Uhlenbeck und Samuel Goudsmit entwickeln die Theorie vom Spin • Atomaufbau erklärbar

4. Das Bohrsche Atommodell • Diskrete Elektronenbahnen ohne Energieabstrahlung • Emission/Absorption von Energie beim gelegentlichen Wechsel der Bahnen • Quantisierter Bahndrehimpuls

5. Drehimpuls und magnetisches Moment des Elektrons

6. Offene Fragen • Nicht alle Spektrallinien lassen sich mit diesem Modell erklären • Zeemann-Effekt • Aufspaltung der Energieniveaus im B-Feld • Feinstrukturaufspaltung • Aufspaltung von einzelnen Spektrallinien

7. Stern-Gerlach Versuch (1922) • Experimentelle Überprüfung der Quantelung der Z-Komponente des Bahndrehimpulses bzw. des magnetischen Moments von Silberatomen

8. Grundlagen • Silberatome sind elektrisch neutral → keine Lorenzkraft • Potentielle Energie U eines magnetischen Dipolmoments in einem Magnetfeld • Resultierende Kraft

9. Folgerungen • Stern und Gerlach konnten ihre Versuchsergebnisse nicht deuten • Erst 1925 postulierte Pauli eine vierte Quantenzahl, neben

10. Der Spin

11. Zusammenfassung von Spin und Bahndrehimpuls • Man definiert den Gesamtdrehimpuls

12. Spin-Bahn-Kopplung • Wie beeinflussen sich Spin und Bahndrehimpuls gegenseitig?

13. Zeemann-Effekt • Ein Atom befindet sich in einem B-Feld • Der Gesamtbahndrehimpuls hat eine quantisierte Z-Komponente und somit ein quantisiertes Dipolmoment → verschiedene potentielle Energien: → Aufspaltung der Spektrallinien

14. Das Pauli-Prinzip • In einem Atom dürfen 2 Elektronen nicht dieselben Quantenzahlen haben. → Atomaufbau erklärbar!

15. Zusammenfassung • 1922 sind nicht alle Spektrallinien mit den damaligen Theorien erklärbar • Die beiden Intensitätsmaxima des Stern-Gerlach-Versuchs veranlassen die Entwicklung der Theorie vom Spin (1925) • Der Zeemann-Effekt, die Feinstrukturausspaltung sowie der Atomaufbau lassen sich mit dieser korrekt beschreiben

16. Literaturangaben • Halliday, Resnick, Walker: „Physik“ • Andreas Hütten: Vorlesungsskript Physik 3 • http://www.physik.uni-bielefeld.de/~shoshi/prosem_08/v4.pdf