સ્ટર્ન–ગર્લાકનો પ્રયોગ

સ્ટર્ન–ગર્લાકનો પ્રયોગ : ખાસ કરીને પ્રચક્રણ(spin)ને કારણે પેદા થતી ઇલેક્ટ્રૉનની ચુંબકીય ચાકમાત્રા(magnetic moment)ના અસ્તિત્વનું નિર્દેશન કરતો પ્રયોગ. સ્ટર્ન અને ગર્લાકે આને લગતો પ્રયોગ 1921માં કર્યો હતો. ત્યારબાદ ઘણાએ તેના ઉપર શોધન-વર્ધન કર્યું છે. તેને આધારે સદિશ-પરમાણુ-નમૂના(vector atom model)નાં કેટલાંક લક્ષણોની ચકાસણી થઈ શકી છે. આ પ્રયોગનું સૈદ્ધાંતિક મહત્વ તો ખરું જ; ઉપરાંત, માપનની ચોકસાઈ અને પ્રવીણતાનું પણ વિશેષ મહત્વ છે. જ્યારે પરમાણુઓની તીક્ષ્ણ ધારા અસમાન ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં થઈને પસાર કરવામાં આવે છે ત્યારે પરમાણુઓનું બીમ, ચુંબકીય ગુણધર્મોને અનુલક્ષી, જુદા જુદા ઘટકોમાં વિભાજન થાય છે. ક્ષેત્રની સાપેક્ષે પરમાણુઓ ચોક્કસ દિકવિન્યાસ (orientation) ધારણ કરે છે અને ક્ષેત્રની અસમાનતાને કારણે જુદા જુદા પ્રમાણમાં તેમનું આવર્તન થાય છે. આ પ્રયોગથી જુદા જુદા માન્ય દિકવિન્યાસના અસ્તિત્વની સાબિતી મળે છે. નહિતર તો બીમનું વિઘટન ન થતાં પરમાણુઓના અસ્તવ્યસ્ત દિકવિન્યાસને કારણે તે માત્ર પહોળું બને. આ સાથે તે ઇલેક્ટ્રૉનના કોણીય વેગમાનના ક્વૉન્ટીકરણ(quantization)ની સાબિતી આપે છે.

કક્ષીય અને પ્રચક્રણીય ગતિને કારણે પરમાણુમાં ચુંબકીય ચાકમાત્રા પેદા થાય છે. તેને એક નાના ચુંબક તરીકે ગણી શકાય છે, પછી ભલે સૂક્ષ્મ હોય. જો આવા પારમાણ્વિક ચુંબકને ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં મૂકવામાં આવે તો ક્ષેત્રની તેના ઉપર અસર થાય છે. ક્ષેત્રની પ્રકૃતિ ઉપર અસર આધાર રાખે છે.

જો ક્ષેત્ર સમાન હોય તો પારમાણ્વિક ચુંબકને બળયુગ્મ-(couple)નો અનુભવ થતાં તેમાં ભ્રમણગતિ પેદા થાય છે. કારણ કે ચુંબકના બંને ધ્રુવો આગળ સમાન અને વિરુદ્ધ બળો લાગે છે. જો ક્ષેત્ર અસમાન હોય તો ચુંબકના ધ્રુવો ઉપર લાગતાં બળો સમાન હોતાં નથી. પરિણામે પરમાણુ-ચુંબકમાં ભ્રમણગતિ ઉપરાંત સ્થાનાંતરીય ગતિ પણ પેદા થાય છે.

પ્રયોગ : પરીક્ષણ કરવાનું હોય તેવા નમૂના K-ને ઓવનમાં ગરમ કરવામાં આવે છે. પરિણામે બધી દિશામાં પારમાણ્વિક કિરણો મળે છે. સ્લિટો S₁ અને S₂ને આધારે બીમને બિલકુલ રેખીય (linear) બનાવવામાં આવે છે. ત્યાર બાદ આ બીમ વિદ્યુતચુંબક MMના ધ્રુવો વચ્ચે થઈને પસાર થાય છે. જરૂરિયાત મુજબ ચુંબકીય ક્ષેત્રને અસમાન અને તીવ્ર બનાવી શકાય છે. ક્ષેત્રની બળરેખાઓ બીમની ગતિ દિશાને લંબ હોય છે. આખરે આ બીમને લંબરૂપે રાખેલ યોગ્ય પ્લેટ P ઉપર આપાત કરવામાં આવે છે. સમગ્ર સાધનને શૂન્યાવકાશ કરેલા કક્ષમાં ગોઠવવામાં આવે છે. બધા જ ભાગોને એકરેખસ્થ રાખતાં ઉપકરણ સરળ અને અતિ ચોક્કસ બને છે.

સૌપ્રથમ ચાંદીના નમૂના સાથે પ્રયોગ કરવામાં આવ્યો હતો. અસમાન ચુંબકીય ક્ષેત્ર લાગુ પાડતાં મૂળ અનુરેખની આજુબાજુ બે અનુરેખ મળે છે જે આકૃતિમાં દર્શાવ્યા છે.

સ્ટર્ન-ગર્લાક પ્રયોગમાં વપરાતું ઉપકરણ

કૉપર, ગોલ્ડ, હાઇડ્રોજન, લિથિયમ, સોડિયમ, પોટૅશિયમમાં બે અનુરેખ મળે છે. બે અનુરેખ વચ્ચેનું જુદાપણું μ = ± 1 બ્હોર મૅગ્નેટૉન જેટલું હોય છે, ચાંદીની જેમ.

Zn, Cd, Hg, Sn, Pb ઉપર ક્ષેત્રની અસર થતી નથી. આથી μ = 0 મળે છે. પરમાણુઓ કે અણુઓ માટે પણ વિભાજિત (resolved) ચાકમાત્રા મળે છે. એટલે જોવાનું એ છે કે તે એકલા અણુઓ છે કે પરમાણુઓ. જે તે તાપમાને Cu, Ag, Au, Sn, Pb એકપારમાણ્વિક અણુ હોવા વિશે નહિવત્ શંકા રહે છે. Ni, Co, Fe પણ સંભવત: એકપારમાણ્વિક અણુઓ છે, પણ Bi અને Sbના બીમમાં મોટા ભાગના અણુઓ મળે છે.

શીતલ આનંદ પટેલ