സ്റ്റേൺ-ഗെർലാഷ് പരീക്ഷണം

ക്വാണ്ടം ഭൗതികത്തിൽ കണങ്ങളുടെ സ്പിന്നിന്‌ ചില നിശ്ചിത വിലകളേ സ്വീകരിക്കാനാവൂ എന്ന് തെളിയിച്ച പരീക്ഷണമാണ്‌ സ്റ്റേൺ-ഗെർലാഷ് പരീക്ഷണം (Stern–Gerlach experiment). ജർമ്മൻ ഭൗതികശാസ്ത്രജ്ഞന്മാരായ ഓട്ടോ സ്റ്റേൺ, വാൾട്ടർ ഗെർലാഷ് എന്നിവർ ചേർന്ന് 1922-ലാണ്‌ ഈ പരീക്ഷണം നടത്തിയത്. ഇലക്ട്രോണുകളും ആറ്റങ്ങളും അടിസ്ഥാനപരമായി ക്വാണ്ടം സ്വഭാവം കാണിക്കുന്നുവെന്നും ക്വാണ്ടം ഭൗതികത്തിൽ നിരീക്ഷൻ നിരീക്ഷണത്തെ സ്വാധീനിക്കുന്നുവെന്നും സ്റ്റേൺ-ഗെർലാഷ് പരീക്ഷണം തെളിയിച്ചു.

ഓട്ടോ സ്റ്റേൺ

ചരിത്രം

ഫ്രാങ്ക്ഫർട്ട് സർവ്വകലാശാലയിൽ പരീക്ഷണത്തിന്റെ ഓർമ്മയ്ക്കായി സ്ഥാപിച്ച ഫലകം

1922-ൽ ജർമ്മനിയിലെ ഫ്രാങ്ക്ഫർട്ടിലാണ്‌ പരീക്ഷണം നടന്നത്. അക്കാലത്ത് സ്റ്റേൺ ഫ്രാങ്ക്ഫർട്ട് സർവ്വകലാശാലയുടെ സൈദ്ധാന്തിക ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിനുള്ള ഇൻസ്റ്റിറ്റ്യൂട്ടിൽ മാക്സ് ബോണിന്റെ സഹായിയായിരുന്നു. ഗെർലാഷ് അതേ സർവ്വകലാശാലയുടെ പ്രായോഗിക ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിനുള്ള ഇൻസ്റ്റിറ്റ്യൂട്ടിൽ സഹായിയായിരുന്നു.

അക്കാലത്ത് അംഗീകരിക്കപ്പെട്ടിരുന്ന ആറ്റം മാതൃക നീൽസ് ബോറിന്റെ ആറ്റം മാതൃകയായിരുന്നു. അണുകേന്ദ്രത്തിന്‌ ചുറ്റും ഭ്രമണം ചെയ്യുന്ന ഇലക്ട്രോണുകൾക്ക് ചില നിശ്ചിത ഭ്രമണപഥങ്ങളിലും ഊർജ്ജാവസ്ഥകളിലും മാത്രമേ ഇത് സാധിക്കൂ എന്ന ബോർ പരികൽപന അംഗീകരിക്കപ്പെട്ടിരുന്നു. എന്നാൽ ഇതിനുപുറമെ കോണിയ സംവേഗത്തിനും നിശ്ചിത വിലകൾ മാത്രമേ സ്വീകരിക്കാനാവൂ എന്ന ബോർ-സോമർഫീൽഡ് പരികൽപന തെളിയിക്കപ്പെട്ടിരുന്നില്ല. ഇത് ശരിയാണോ എന്ന് കണ്ടെത്താനാണ്‌ സ്റ്റേണും ഗെർലാഷും ശ്രമിച്ചത്.

ജോർജ്ജ് അഹ്‌ലെൻബെക്ക്, സാമുവൽ ഗൗഡ്സ്മിത് എന്നിവർ ചേർന്ന് ഇലക്ട്രോണിന്‌ സ്പിൻ എന്ന വിശേഷതയുണ്ട് എന്ന് സിദ്ധാന്തിക്കുന്നതിന്‌ മുമ്പാണ്‌ ഈ പരീക്ഷണം നടന്നത്. എന്നാൽ സ്പിൻ 1/2 ആയുള്ള കണങ്ങളുടെ സ്വഭാവമാണ്‌ സ്റ്റേൺ-ഗെർലാഷ് പരീക്ഷണത്തിലെ വെള്ളി ആറ്റങ്ങൾ കാണിക്കുന്നത് എന്ന് പിന്നീട് തെളിയിക്കപ്പെട്ടു. 1927-ൽ ഹൈഡ്രജൻ ആറ്റങ്ങളെ ഉപയോഗിച്ച് ടി.ഇ. ഫിപ്പ്സ് ജൂനിയർ, ജെ.ബി. ടെയ്ലർ എന്നിവർ ചേർന്ന് ഈ പരീക്ഷണം ആവർത്തിച്ചു.

നാസികൾ ജർമ്മനിയിൽ അധികാരത്തിലേറിയതിനെത്തുടർന്ന് 1933-ൽ സ്റ്റേൺ അമേരിക്കയിലേക്ക് പലായനം ചെയ്തു. 1943-ൽ ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിനുള്ള നോബൽ സമ്മാനം സ്റ്റേണിനു ലഭിച്ചു. എന്നാൽ ജർമ്മനിയിൽ തുടർന്നതിനാൽ ഗെർലാഷിന്‌ നോബൽ സമ്മാനം നൽകപ്പെടുകയോ ഈ പരീക്ഷണത്തിന്റെ കാര്യം സ്റ്റേണിന്‌ നോബൽ നൽകാനുള്ള കാരണമായി നോബൽ കമ്മിറ്റി എടുത്തുകാട്ടുകയോ ഉണ്ടായില്ല. പ്രോട്ടോണിന്‌ കാന്തികമൊമെന്റുണ്ടെന്നു കണ്ടെത്തിയതിനും തന്മാത്രാരശ്മിരീതിയെക്കുറിച്ചുള്ള പഠനങ്ങൾക്കുമാണ്‌ സ്റ്റേണിന്‌ സമ്മാനം നൽകപ്പെട്ടത്^[1]

പരീക്ഷണം

സ്റ്റേൺ-ഗെർലാഷ് പരീക്ഷണ ഉപകരണം

ഏകതാനമല്ലാത്ത (non-uniform) കാന്തികക്ഷേത്രം സൃഷ്ടിക്കുന്ന ഒരു കാന്തമാണ്‌ പരീക്ഷണത്തിലെ പ്രധാന ഉപകരണം. ഈ കാന്തികക്ഷേത്രത്തിലൂടെ ഒരു ഫർണസിൽ നിന്ന് വെള്ളി ആറ്റങ്ങളെ കാന്തികക്ഷേത്രത്തിന്റെ ഗ്രേഡിയന്റിന്‌ ലംബമായി കടത്തിവിടുന്നു. കാന്തികക്ഷേത്രത്തിന്റെ ഗ്രേഡിയന്റ് മൂലം ആറ്റങ്ങളുടെ പാതയിൽ മാറ്റം വരുന്നു. ഇവ കാന്തികക്ഷേത്രത്തിന്‌ പുറത്തെത്തുന്ന സ്ഥാനം സ്ക്രീനിലോ കൗണ്ടറുകൾ ഉപയോഗിച്ചോ കണ്ടെത്തുന്നു.

ഉദാത്തഭൗതികത്തിൽ

ഉദാത്തഭൗതികത്തിലേതുപോലെ ഭ്രമണം ചെയ്യുന്ന ചാർജ്ജ് മൂലമാണ്‌ കണങ്ങൾക്ക് കാന്തികമൊമന്റ് ലഭിക്കുന്നത് എന്ന് കരുതുകയാണെങ്കിൽ കാന്തികമൊമന്റിന്റെ ദിശ ഏതുമാകാം. അതായത്, കാന്തികക്ഷേത്രത്തിൽ നിന്ന് പുറത്തുകടക്കുന്ന വിവിധ ആറ്റങ്ങൾ വിവിധ അളവുകളിൽ നേർരേഖാപാതയിൽ നിന്ന് വ്യതിചലിച്ചവയായിരിക്കും. അതിനാൽ ആറ്റങ്ങൾ ചേർന്ന് സ്ക്രീനിൽ ഒരു നേർരേഖ സൃഷ്ടിക്കേണ്ടതാണ്‌.

എന്നാൽ പരീക്ഷണം നടത്തിയപ്പോൾ സ്ക്രീനിൽ ആറ്റങ്ങൾ ചേർന്ന് രണ്ട് ബിന്ദുക്കൾ സൃഷ്ടിക്കുന്നതേ കാണാൻ കഴിഞ്ഞുള്ളൂ. അതായത്, നേർരേഖയിൽ നിന്ന് ഒരു പ്രത്യേക അളവ് മുകളിലേക്കോ താഴേക്കോ വ്യതിചലിക്കാനേ വെള്ളി ആറ്റങ്ങൾക്ക് കഴിഞ്ഞുള്ളൂ. ഉദാത്ത ഭൗതികമുപയോഗിച്ച് ഇത് യാതൊരുവിധത്തിലും വിശദീകരിക്കാൻ സാധിക്കുകയില്ല.

വിശദീകരണം

ഇലക്ട്രോണിന്റെ കോണീയസം‌വേഗത്തിന്‌ സാധ്യമായ വിലകൾ

കോണീയ സം‌വേഗത്തിന്‌ ചില നിശ്ചിത വിലകളേ സ്വീകരിക്കാനാകൂ എന്ന ക്വാണ്ടം ഭൗതികത്തിലെ പരികൽപനയുപയോഗിച്ച് പരീക്ഷണഫലം വിശദീകരിക്കാം.

ഇലക്ട്രോണുകൾ സ്പിൻ-1/2 കണങ്ങളാണ്‌. അതായത്, നിരീക്ഷിക്കപ്പെടുമ്പോൾ ഇലക്ട്രോണുകളുടെ കോണീയ സം‌വേഗത്തിന്‌ രണ്ട് വിലകളേ സ്വീകരിക്കാനാകൂ - ഇവ സ്പിൻ അപ്, സ്പിൻ ഡൗൺ എന്നിങ്ങനെ അറിയപ്പെടുന്നു. ഏതൊരു ദിശയിലും അളക്കാൻ ശ്രമിച്ചാൽ കോണിയ സം‌വേഗം +ħ/2 അഥവാ −ħ/2 ആയിരിക്കും. ഇത് ചാർജ്ജുകളുടെ ഭ്രമണം മൂലം സാധ്യമാകാത്തത്ര ഉയർന്ന ഒരു വിലയാണ്‌. അതിനാൽ സ്പിൻ എന്നത് ക്വാണ്ടം ഭൗതികത്തിന്‌ മാത്രം വിശദീകരിക്കാനാവുന്ന ഒരു പ്രതിഭാസമാണ്‌.

സ്റ്റേൺ-ഗെർലാഷ് ഉപകരണത്തിലൂടെ കടന്നുപോകുമ്പോൾ ഇലക്ട്രോണുകൾ "നിരീക്ഷിക്കപ്പെടുന്നു". അപ്പോൾ അവയുടെ കോണീയ സം‌വേഗം കാന്തികക്ഷേത്രത്തിന്റെ ഗ്രേഡിയന്റിന്റെ ദിശയിൽ സാധ്യമായ രണ്ട് വിലകളിലൊന്ന് സ്വീകരിക്കുന്നു. ഇതനുസരിച്ച് കണങ്ങൾക്ക് രണ്ടു രീതിയിൽ മാത്രമേ (അതായത്, നേർരേഖയ്ക്ക് ഒരു പ്രത്യേക അളവ് മുകളിലേക്കോ താഴേക്കോ) വ്യതിചലിക്കാനാവുകയുള്ളൂ. അതിനാൽ രണ്ട് ബിന്ദുക്കളിൽ മാത്രമേ സ്ക്രീനിൽ ആറ്റങ്ങൾ പതിക്കുകയുള്ളൂ.