¿Los electrones se dividen en el experimento de Stern-Gerlach pero no en el de Thompson?

Question

Así pues, cuando los electrones se disparan a través de un campo magnético en el experimento de Stern-Gerlach se dividen en dos haces dependiendo de su espín, pero ¿dónde estaba este fenómeno cuando Thompson calculaba la relación carga-masa del electrón? ¿No debería haberse dividido también su haz de rayos catódicos?

Answer 1

Como ya se ha sugerido en algunos de los comentarios a tu pregunta, hay una diferencia fundamental entre un experimento de tipo Stern-Gerlach y un experimento de tipo Thompson, y esta diferencia radica en el tipo de interacción de las partículas.

En primer lugar, como señala Ivan Neretin, un experimento de Stern-Gerlach se realiza con especies neutras (el experimento original incluía átomos de plata), mientras que el experimento de Thompson empleaba un haz de electrones cargados.

La interacción culombiana o de Lorentz entre partículas cargadas (o partículas cargadas y campos) es aproximadamente cuatro órdenes de magnitud mayor que la interacción entre partículas neutras y campos. En este último caso, se puede dar la interacción entre un momento dipolar magnético y un campo magnético y/o la interacción con un momento dipolar eléctrico y un campo eléctrico. Estas interacciones se denominan efectos Zeeman y Stark. Lo importante es darse cuenta de que el signo y la magnitud de la interacción dependen del estado cuántico de la partícula (o en otras palabras, de la orientación relativa de sus momentos angulares). Por lo tanto, se trata de una interacción específica del estado cuántico. Como consecuencia, las partículas en un estado pueden ser atraídas a una región con campos altos, mientras que las partículas en otro estado pueden ser atraídas a regiones con campos bajos, como si tuvieras dos brújulas diferentes; una que apunta al polo norte y otra que apunta al polo sur.

Las interacciones electromagnéticas entre las partículas cargadas y los campos son tan fuertes que los efectos específicos del estado cuántico son mucho más difíciles de ver (y las fuerzas de Coulomb y Lorentz dominan).

Volvamos al experimento de Stern-Gerlach. En su montaje experimental, Stern y Gerlach utilizaron un campo magnético no homogéneo con un gradiente bien definido. Los átomos de plata que emplearon tienen un electrón no apareado que podía orientarse con respecto al campo magnético externo "hacia arriba" o "hacia abajo", estos diferentes estados cuánticos experimentan diferentes fuerzas y por lo tanto se separan.

En el experimento de Thompson los electrones cargados son enviados a través de un campo magnético en el que la fuerza que experimentan sólo depende de su carga y del vector velocidad con respecto al campo magnético. Esta fuerza es idéntica para todos los electrones, por lo que no se observa ninguna división.

Answer 2

El documento de Hosein Majlesi en https://arxiv.org/abs/1504.07963 parece demostrar que el experimento de Stern-Gerlach funciona con electrones.