——读《施特恩-格拉赫实验其人其事》一文后感

作者：彭晓韬

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【文章摘要】：偶读由台湾交通大学物理研究所及电子物理系林志忠先生所著《施特恩-格拉赫实验其人其事》一文，发现其中存在二处重大缺点与错误：一是将银原子当成电中性粒子；二是将温度与分子运动速度直接挂钩。正是因为此二处错误，从而导致对实验结果机理的解释完全不符合客观实际。本文就此进行一些与众不同的探讨，并提出相应的机理分析和验证方法。

一、施特恩-格拉赫实验结果简介

实验装置：使银原子在电炉内蒸发射出，通过狭缝S1、S2形成细束，经过一个抽成真空的不均匀的磁场区域 （磁场垂直于射束方向），最后到达照相底片上。显像后的底片上出现了两条黑斑，表示银原子经过不均匀磁场区域时分成了两束。

根据实验中的炉温、磁极长度、横向不均匀磁场的梯度和原子束偏离中心的位移，可计算出原子磁矩在磁场方向上分量的大小。当时测得银、铜、金和碱金属的原子磁矩分量的大小都等于一个玻尔磁子，它们的原子束都只分裂为对称的两束。实验结果说明，原子在磁场中不能任意取向。【摘自百度百科和林志忠文章】

二、施特恩-格拉赫实验结果的机理分析

银原子是由47个核外电子围绕原子核高速运动的复合粒子，在任意特定时刻，核外47个电子均处于相对原子核的不同的方位和空间位置上，其在外部任意特定点上产生的电场和磁场强度及方向都会因电子的位置不同而改变，因此，其显然并非真正的电中性粒子。也就是说：银原子的电偶极矩和磁偶极矩并非恒定为0，而是会随时间不断的变化着的。当单个银原子通过非均匀磁场时，就会被磁场改变其运动方向。其方向的改变趋势与银原子进入磁场时刻的磁偶极矩方向有关：当磁偶极方向与外磁场方向相同或相反时，银原子的方向改变就会相同或相反。从而当外磁场为水平方向时，银原子会部分朝左侧运动，另一部分会朝右侧运动。这才是本实验结果的机理。由此可见，把银原子当成理想的电中性粒子看待是完全不符合客观实际的。

三、检验施特恩-格拉赫实验结果的机理方法

由于任何原子和亚原子都不是真正的电中性粒子，都不适合用于本实验。只有利用真正的电中性粒子——中子来进行本项实验，才能得出准确的结论：到底是带电基本粒子本身具有波粒二象性还是外加电磁场使带电基本粒子改变了运动状态。

四、《施特恩-格拉赫实验其人其事》一文中的错误简析

该文中至少有二处重大错误：一是将银原子视为电中性粒子；二是将温度与原子和分子运动速度直接挂钩。

1、第一处错误：上文已经有较详细的叙述：单个银原子并非电中性粒子，而是一个会产生电磁辐射并被其所处空间位置上的电场和磁场反作用的、电/磁偶极矩随时间变化的电/磁偶极子。只有众多银原子聚集在一起时，宏观上才显现出电中性。

2、第二处错误：“高温腔中的银原子（蒸气）被加热到约1000℃，其均方根速度约为540m/s”的说法是不正确的。因为原子均方根运动速度并不是仅仅由温度决定的，还与分子间的平均距离相关。因为温度是分子和原子热运动过程中产生的电磁辐射强度峰值所对应的频率（可简称为“峰值频率”）的标志，并非分子和原子热运动时的平均动能或平均速度的标志。

对普朗克黑体辐射公式进行求导数并令其等于0时，可以得出下面的二个公式，它们直接证明了温度与峰值频率间的关系：

其中：T为温度；fm为峰值频率；h为普朗克常数；k为玻耳兹曼常数。

从已知温度求取分子和原子均方根运动速度需要知道分子和原子平均热运动行程或平均间距，只有知道分子和原子热运动平均行程，才能用下式计算出分子均方根速度：

用（公式三）可以很好地解释气体体积的变化会导致温度的变化之机理：当气态分子和原子的热运动平均动能或平均速度不变时，体积变大就会导致分子和原子平均热运动行程加大，峰值频率就会降低，从而导致温度降低。反之，体积变小时就会导致分子和原子平均热运动行程缩小，峰值频率就会上升，从而导致温度升高。这就是空气压缩过程中会放热，空气释放时会制冷（吸热）的根本原因。

文章来源：《中国实验方剂学杂志》 网址: http://www.zgsyfjxzzzz.cn/zonghexinwen/2021/0317/529.html

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