deutuland

ヴァルター・ゲルラッハ
【1889年8月1日生まれ ~ 1979年8月10日没】


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 実験家ゲルラッハ

ゲルラッハはシュテルンと共に行った

実験で有名です。

本ブログの中ではシュテルンのご紹介は関連人物を中心としており、実験内容が伝えられていませんでした。対照的にゲルラッハと実験内容について語りたいと思います。

その実験はゼーマンとローレンツによる実験と通じる部分があります。古典的な考えだけでは説明出来ない量子力学的な状態の縮退を考慮する必要があるという結論に繋がります。

ゼーマン効果ではナトリム原子からの電磁波が対象で波動的側面から現象が理解できます。一方のゲルラッハの実験では加熱して蒸発した銀粒子が対象ですで粒子的側面から現象が理解できます。其々の実験対象において磁場をかけた時に縮退が解けていく様子が観察されます。古典的な予測では輝点に幅が出ると予想されます。二つの輝点に分かれる現象は古典的に説明が出来ません。

実験の歴史的意義 

具体的にゲルラッハとシュテルンが行った実験では、磁場で銀粒子の中の電子スピンが分離されています。加熱された銀粒子がビーム状に放射されている時にビーム経路に対して垂直に磁場をかけます。壁に当てたビームの輝点を見てみた時に古典論では輝点は一つです。所が、ゲルラッハとシュテルンの実験では「縮退の解けた」2点がはっきりと見てとれたのです。

量子力学的な考えに従うと、電子はスピンを持ち、磁場に対して同じ方向のスピンと逆の方向のスピンが存在します。だから、磁場に対する軌跡が異なるのです。

この実験はゲルラッハが実現したようですがシュテルンがドイツから亡命していた事情と、政治絡みの判断、が相まって当初はゲルラッハの名は表に出ませんでした。

後日談 

さて、話を現代に近づけると、2012年に日本で半導体内部で同じ原理を使い同じ結果を得てます。アイディアの種は色々な所にありますね。

強磁性体外部磁場を用いずに電子のスピン
揃えることに世界で初めて成功_2012年12月

https://www.ntt.co.jp/journal/1212/files/jn201212058.pdf

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2020/10/31_初稿投稿
2022/06/19_改定投稿

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量子力学関係

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(2021年10月時点での対応英訳)

Famous experimenter Gerlach

Gerlach is famous for his experiments with Stern. The introduction of Stern was centered around related people, and the content of the experiment was not communicated. I would like to talk about Gerlach and his experiments. The experiment has some similarities to the experiment by Zeeman and Lorenz. It leads to the conclusion that it is necessary to consider the degeneracy of quantum mechanical states that cannot be explained by classical ideas alone.

In the Zeeman effect, electromagnetic waves from Natrim atoms are targeted, and the phenomenon can be understood from the wave side. On the other hand, in the Gerlach experiment, the target is silver particles that have been heated and evaporated, and the phenomenon can be understood from the particle side. It is observed that the degeneracy is released when a magnetic field is applied to each experimental object. The classical prediction is that the bright spots will be wider. The phenomenon of splitting into two bright spots cannot be explained classically.

Historical significance of the experiment

Specifically, in the experiments conducted by Gerlach and Stern, the electron spins in the silver particles are separated by a magnetic field. When the heated silver particles are radiated in a beam shape, a magnetic field is applied perpendicular to the beam path. When you look at the bright spots of the beam that hits the wall, there is only one bright spot in classical theory. However, in the experiments of Gerlach and Stern, two points that were “degenerate” were clearly visible.

According to quantum mechanics, electrons have spins, and there are spins in the same direction and spins in the opposite direction to the magnetic field. Therefore, the trajectory with respect to the magnetic field is different. This experiment seems to have been realized by Gerlach, but the name of Gerlach was not revealed at the beginning due to the combination of Stern’s exile from Germany and political judgment.

Later talk

Now, let’s get closer to the present age. In 2012, we used the same principle inside semiconductors in Japan and obtained the same results. There are many seeds of ideas.

World’s first success in aligning electron spins without using ferromagnets or external magnetic fields_December 2012

https://www.ntt.co.jp/journal/1212/files/jn201212058.pdf