Por qué se utilizaron átomos de plata en el experimento de Stern-Gerlach?

Question

Para el experimento de Stern-Gerlach realizado en 1922:

1. ¿Por qué se utilizaron átomos de plata?
2. Los átomos de plata contienen muchos electrones en diferentes capas (con diferentes números cuánticos de momento angular). ¿Por qué estos no se ven afectados por el campo magnético como el electrón $5s$?

Answer 1

Este es un aspecto crucial de Stern-Gerlach que suele omitirse en descripciones simples. Para ver la división de espín claramente, se necesita un átomo neutro masivo con un electrón desparejado. La plata tiene un electrón 5s desparejado, y todos los demás están emparejados. El electrón 5s está en un estado de momento angular orbital cero, por lo que en lo que respecta a la respuesta magnética, solo cambia el espín en diferentes campos.

Se utiliza un objeto neutro masivo que contiene un electrón S desparejado, de modo que solo se divide el estado de espín en el campo de gradientes B, no se interfiera con el momento magnético orbital dentro del átomo, o para la partícula en su conjunto. El resto del átomo de plata está ahí para asegurarse de que la única diferencia en la desviación sea debido al espín del electrón externo únicamente.

Para electrones libres, el espín y el momento magnético orbital están relacionados por la ecuación de Dirac, y no se puede hacer que la división causada por ambos sea diferente. Esta es la extraña degeneración en los niveles de Landau, donde la división del espín es exactamente igual a la división orbital. Esto significa que las desviaciones de momento de un haz de electrones por un gradiente de campo magnético siempre van a ser comparables a la desviación debido a los diferentes estados de espín. Por lo tanto, no se pueden dividir los estados de espín de un haz de electrones de forma clara utilizando gradientes de campo magnético.

Las capas internas de la plata están emparejadas, por lo que los electrones son rígidos; no se pueden mezclar los estados electrónicos en ninguna de las orbitales internas. Pero el electrón externo de espín 1/2 crea dos estados degenerados (ignorando algún acoplamiento infinitesimal con el espín nuclear), por lo que el átomo de plata termina siendo simplemente un objeto neutro masivo con un momento magnético igual al momento magnético debido al espín de un electrón libre.

Answer 2

Parte 2: como sabemos hoy, los "electrones internos" residen en "capas cerradas". Una capa cerrada tiene un momento angular total igual a cero y por lo tanto produce una respuesta diamagnética extremadamente débil, nada que se vería en el experimento de Stern Gerlach.

Parte 1: No conozco todas las razones históricas, pero la plata es abundante, químicamente bastante estable y se evapora fácilmente, lo que haría que tuviera varias buenas razones prácticas.

Ten en cuenta que en ese momento no se conocía el espín. La intención era discernir entre la teoría clásica (Larmor) y la entonces existente teoría de Bohr-Sommerfeld ('vieja' teoría cuántica) del movimiento electrónico en los átomos. El movimiento orbital con momento angular igual a cero tampoco se conocía, por lo tanto Stern y Gerlach confundieron la división en dos haces como evidencia de cuantización orbital con números cuánticos +1 y -1, respectivamente. En ese momento no podían saberlo mejor.