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mit der Geschwindigkeit , der Masse
m, der Temperatur T und der Boltzmann-
Konstanten k.
Es dauerte 61 Jahre, ehe es von Stern direkt
experimentell bestätigt wurde. Die Arbeit
Eine direkte Messung der thermischen
Molekulargeschwindigkeit
wurde in der
Zeitschrift für Physik veröffentlicht.
Der Silber-Atomstrahl wurde nach einem
Verfahren von Knudsen durch Verdampfen
von einem versilberten Pt-Draht ins Vaku-
um über eine Blende auf eine Auffangplat-
te (Target) gelenkt, auf der er kondensiert
wird. Bei einer Rotation der Anordnung um
eine Drehachse
A
Molekularstrahl sollte
sich der Auftreffpunkt um
mit der Drehfrequenz
Q
und dem Abstand
(Quelle-Target) l entgegen der Rotations-
richtung verschieben.
Das Ergebnis für die wahrscheinlichste
Geschwindigkeit betrug 450-500 m/s bei
1200°C; während 477 m/s berechnet
waren.
Gegen die Publikation wurden von verschie-
denen Seiten Einwände erhoben, von
denen allerdings nur der von Einstein be-
rechtigt war. Dieser hatte angemerkt, dass
von den schnelleren Molekülen verhältnis-
mäßig mehr ausströmen, so dass an Stelle
von
3kT
m
mit einemmittleren Geschwin-
digkeitsquadrat von
4kT
m
gerechnet werden
muss. Stern hat dies im Oktober 1920 in
einem Nachtrag korrigiert.
Ständiger Gast und Mitarbeiter
der Abteilung Born: Walther Gerlach
Zu einem ersten Zusammentreffen zwi-
schen Otto Stern und Walther Gerlach kam
es während des 1. Weltkriegs, als Stern an
einemVerfahren zur Viskositätserhöhung
von Mineralölen durch elektrische Entla-
dungen arbeitete.
Gerlach brachte große Erfahrung auf dem
Gebiet der Vakuumtechnik mit, als er im
Herbst 1920 von Tübingen nach Frankfurt
zu Prof. Wachsmuth mit der Fragestellung
kam, ob der anomale Diamagnetismus des
Wismuts eine Kristalleigenschaft ist oder
auch an Bi-Dampf auftritt.
Die Quantenmechanik wird allgemein axio-
matisch formuliert, d.h. man geht von Pos-
tulaten, unbewiesenen Behauptungen, aus,
mit deren Hilfe man eine Theorie entwi-
ckelt, deren Resultate mit dem Experiment
übereinstimmen müssen. In diesem Fall ist
das Postulat gerechtfertigt. Ein ähnliches
Vorgehen findet man in der Euklidschen
Geometrie und in der Thermodynamik mit
ihren 3 Hauptsätzen.
Pieter Zeeman (1865-1943) entdeckte 1896
die von H. A. Lorentz elektronentheoretisch
vorausgesagte Aufspaltung imMagnetfeld,
welche den Namen Zeeman-Effekt erhielt
(1902 Nobelpreis an Zeeman und Lorentz).
Um den Zeeman-Effekt auf der Basis der
Bohrschen Theorie zu erklären, sah sich P.
Debye 1916 gezwungen, die Hypothese
von der Richtungsquantelung einzuführen,
wonach bei Mikroteilchen nicht nur der
Drehimpuls sondern auch seine Kompo-
nenten in durch ein magnetisches oder
elektrisches Feld ausgezeichneter Rich-
tung diskrete Werte annehmen können.
Während Sommerfeld in Erweiterung
des Bohr-Modells für seine "erlaubten"
Elektronenbahnen axiomatisch forderte,
dass der dazugehörige Drehimpuls L mit
der Quantenzahl
κ
nur Werte von *
κ
(
κ
+1)
˥
annehmen kann, verlangte das neue
Konzept – auch wiederum axiomatisch
–, dass auch seine L
z
-Komponenten in
Vorzugsrichtung z, welche durch eine
magnetische oder elektrische Feldrichtung
vorgegeben ist, der Bedingung L
z
= L·cos
D
=m
˥
gehorchen, wobei die Orientierungs-
quantenzahl (magnetische Quantenzahl) m
mit einem
'
m = 1 zwischen +
κ
und -
κ
läuft,
also 2
κ
+1 verschiedene Werte annehmen
kann. In einem halbklassischen Bild heißt
das, dass der Vektor des Drehimpulses nur
bestimmte Orientierungen
D
im Raum ein-
nehmen kann, daher der Name Raum- oder
Richtungsquantisierung. Diese Idee war so
revolutionär, dass sogar Debye nicht daran
glaubte, dass sie physikalische Realität
besäße. Debye äußerte sich so:
"Sie glauben
doch nicht, dass die Einstellung der Atome
etwas physikalisch Reelles ist; das ist eine
Rechenvorschrift - Kursbuch der Elektronen".
Im Falle atomarer magnetischer Momen-
te erwartete Bohr eine Aufspaltung in 2
Gruppen mit ihren Momenten entweder
parallel oder entgegengesetzt zumMag-
netfeld. Sommerfeld hingegen hatte keine
klare Meinung und schwankte zwischen 3
möglichen diskreten Positionen und einer
willkürlichen, d.h. klassischen Verteilung.
Diese 2
κ
+1 Projektionen oder z-Komponen-
ten des Drehimpulses sind seine messbaren
Komponenten L
z
= (0, ±1, ±2, ….±
κ
)
˥
. Da sie
nur beim Anlegen eines magnetischen oder
elektrischen Feldes aufgespalten sind und
bei dessen Abschalten gleichenergetisch
zusammenfallen, spricht man von 2
κ
+1-
facher Entartung oder einem statistischen
Gewicht von 2
κ
+1.
Die Frage von Stern an Gerlach, ob er wisse,
was Richtungsquantelung sei, verneinte
dieser. Im übrigen glaubte Stern selbst
nicht an die Debyesche Hypothese. Daher
planten beide ein Experiment, welches ihre
Zweifel erhärten sollte. Beschleunigt wurde
dies durch eine Arbeit von Kallmann und
Reiche.
1913 hatte Johannes Stark (1874-1957) die
dem Zeeman-Effekt analoge Aufspaltung
der Spektrallinien in einem elektrischen
Feld entdeckt (Stark-Effekt, Nobelpreis
1919). A. Kallmann und F. Reiche hat-
ten eine Arbeit über die Ablenkung von
elektrischen Dipolmolekülen in einem
inhomogenen elektrischen Feld im Band 6
der Zeitschrift für Physik eingereicht, von
denen Stern die Korrekturen übersandt
wurden. Die darin angestellten Überlegun-
gen ergänzten die von Stern und Gerlach,
die allerdings das magnetische Pendant
zum Gegenstand hatten. Dies alarmierte
Stern, der den dringenden Anlass sah, sich
hier mit einer Publikation das Primat zu
sichern. Sie ging im August 1921 unter dem
Titel
"EinWeg zur experimentellen Prüfung
der Richtungsquantelung im Magnetfeld"
bei der Zeitschrift für Physik ein.
In dieser beschreibt er die Versuchsanord-
nung, mit der man zwischen dem klas-
sischen und dem quantentheoretischen
Fall unterscheiden könnte, indemman
einen Atomstrahl einem inhomogenen
Magnetfeld, analog dem inhomogenen
elektrischen Feld von Kallmann und Reiche,
aussetzt. Im klassischen Fall sollten für jede
Geschwindigkeit alle Ablenkungen von
0 bis zum quantentheoretischen Wert
P
= e
˥
/2mmöglich sein. Der Fleck auf dem
Target sollte durch das Magnetfeld nur ver-
breitert sein, das Intensitätsmaximum an
der ursprünglichen Stelle zu finden sein. Im
quantentheoretischen Fall würde der Fleck
auf dem Target in zwei Flecken gleicher
Größe, aber halber Intensität, aufspalten.
Der nach dem vorgeschlagenen Prinzip
durchgeführte Versuch in der Nacht vom
