EL EXPERIMENTO DE STERN Y GERLACH Andrés Felipe Mondragón Clavijo Universidad Nacional de Colombia Departamento de Física Física de Semiconductores Bogotá - 2015

INTRODUCCIÓN A principios del Siglo 20 se dio un cambio de paradigma en la física: La masa, la energía, y la carga están dadas por cantidades discretas e indivisibles (Quanta). La idea surge en 1913 cuando Niels Bohr formula su modelo atómico para el hidrogeno. En 1916, Arnold Sommerfeld sugiere que no solo los electrones existen en orbitales definidos, sino que la orientación de estos orbitales también está definida (cuantización del espacio). Postal enviada por Gerlach a Niels Bohr [1]

FORMULACIÓN DEL EXPERIMENTO La idea de Bohr fue considerada una abstracción matemática. En 1922, Otto Stern y Walter Gerlach diseñaron un experimento para establecer si el modelo teórico podía describir la realidad. Otto Stern (1888-1969) Walter Gerlach (1889-1979)

DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTO El experimento consistió de los siguientes pasos: Generar un rayo colimado de átomos de plata. Pasar este rayo a través de un campo magnético inhomogéneo. Disponer una lamina de vidrio perpendicular al rayo de manera que este pudiese formar un patrón de distribución. Analizar el patrón de distribución resultante.

PREDICCIONES DEL EXPERIMENTO Modelo Clásico Los átomos que componen al rayo cuentan con un momento magnético orientado al azar al entrar en el campo magnético inhomogéneo. El campo magnético causará que estos átomos sean desviados en el sentido opuesto, pero de manera proporcional al grado de deflexión del ángulo inicial entre el momento magnético, y el campo magnético. Lo anterior implica que las partículas serán desviadas con una distribución continua correspondiente a distintos grados de deflexión.

PREDICCIONES DEL EXPERIMENTO Modelo de Bohr-Sommerfeld (Modelo Cuántico) Los átomos que componen al rayo cuentan con un momento magnético cuantizado al entrar en el campo magnético inhomogéneo. El campo magnético causará que estos átomos sean desviados en el sentido opuesto. Debido a la naturaleza cuantizada del momento magnético, el rayo es dividido en partes discretas, dando así origen a líneas de distribución discretas en la lamina de vidrio.

RESULTADOS EXPERIMENTALES Los resultados experimentales sugieren que todas las partículas son desviadas ya sea bien hacia arriba o hacia abajo, ambos grupos con la misma intensidad. Esto sugiere una naturaleza cuantizada del momento magnético de las partículas. La naturaleza cuantizada de estas propiedades sería asociada al espin (momento angular intrínseco), el cual seria introducido años después del experimento de Stern y Gerlach. El espin toma valores múltiplos enteros de la constante reducida de Planck dividida en dos: 𝑠 𝐹 = 𝑛+ 1 2 ∗ℏ

IMPLICACIONES DE LOS RESULTADOS Hasta finales del Siglo 19 se consideraba que la naturaleza del universo era de tipo determinista, y que podía ser descrita mediante la mecánica clásica (Newton, Maxwell, etc). El estudio de la radiación de cuerpo negro, y la caracterización de esta como un proceso cuantizado dio inicio a una revolución de la física a principios del Siglo 20. Lo anterior implicó la formulación de nuevos modelos teóricos que pudiesen describir entre otras cosas la dualidad onda-partícula. El experimento de Stern y Gerlach, arrojó resultados que validaron estos nuevos modelos teóricos, y permitieron la formulación de conceptos como el espín, los cuales son necesarios para la comprensión de la naturaleza cuántica de las partículas.

BIBLIOGRAFÍA [1] E. Gerstner, «Milestones», Nature Physics, 2008 Disponible EN: http://www.nature.com/milestones/milespin/full/milespin02.html [2] F. Bretislav, D. Herschbach, «Stern and Gerlach: How a bad cigar helped reorient atomic physics», Physics Today, 2003 Disponible EN: http://www.physicstoday.org/vol-56/iss-12/p53.html [3] J. Villalobos, «Curso de Física de Semiconductores – 2015I», Universidad Nacional de Colombia, 2015.