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Einstein-de-Haas-Effekt


Der Einstein-de-Haas-Effekt wurde 1915 von Albert Einstein vorhergesagt und zusammen mit Wander Johannes de Haas nachgewiesen.[1] [2] Der Effekt zeigt, dass der Magnetismus auf den Drehimpuls von Elektronen zurückgeht, und ist ein makroskopischer Nachweis des Elektronenspins.

Experiment

Ein dünner, magnetisierbarer Stab (z. B. aus Eisen, Nickel) hängt senkrecht an einem Torsionsfaden in einer senkrecht stehenden Magnetspule. Da das Magnetfeld zum Stab parallel und die ganze Anordnung rotationssymmetrisch ist, kann das Magnetfeld kein Drehmoment auf den Stab ausüben. Trotzdem beginnt er sich beim Einschalten oder Umpolen des Magnetfelds um die Aufhängerichtung zu drehen.

Deutung

Der gesamte Drehimpuls des Stabs setzt sich aus zwei Anteilen zusammen: ein Anteil entspricht der außen sichtbaren Drehbewegung, der andere Anteil ist die Summe der permanenten Drehimpulse der Elektronen. Diese sind normalerweise ungeordnet, ihre Summe also Null. Durch ihre Parallelstellung aber ergibt sich die makroskopische Magnetisierung. Wenn vor Einschalten des Magnetfelds der Stab in Ruhe ist und nicht magnetisiert ist, ist der Gesamtdrehimpuls Null, denn beide Anteile sind für sich Null. Da sich am Gesamtdrehimpuls Null durch das Einschalten nichts ändern kann, müssen beide Drehimpulsanteile stets entgegengesetzt gleich groß sein. Daher zeigt die sichtbare Drehbewegung, dass die Magnetisierung des Stabs mit einem bestimmten Drehimpuls verknüpft ist, der durch die Beobachtung der sichtbaren Drehbewegung messbar ist. Das gemessene Verhältnis des Magnetischen Moments des Stabs zu diesem Drehimpuls (das gyromagnetische Verhältnis) stimmt mit dem an einzelnen Elektronen beobachteten gyromagnetischen Verhältnis überein.

Die Umkehrung dieses Effektes ist der Barnett-Effekt.

Historisches

Der beobachtete Effekt ist nur klein, sodass man eine Resonanzschwingung verwendet, um ihn besser messbar zu machen. Dazu wird der Stab als Drehpendel mit einer bestimmten Resonanzfrequenz aufgebaut und in der Spule ein magnetisches Wechselfeld variabler Frequenz angelegt. Beim Durchstimmen der Frequenz zeigt sich an der Amplitude der Torsionsschwingung eine deutliche Resonanzkurve. Allerdings ist die quantitative Auswertung hinsichtlich des gyromagnetischen Verhältnisses nicht einfach. Z. B. entsteht durch die ferromagnetische Hysterese im Stab die Komplikation, dass sich die Magnetisierung und damit auch der Drehimpuls nicht linear mit dem äußeren Feld ändern. Daher sind die erhaltenen Ergebnisse mit relativ großer Unsicherheit behaftet, die von Einstein und de Haas auf 10 % geschätzt wurden.[1][2] Sie erhielten einen Meßwert der ihrer theoretischen Erwartung entsprach. Ihr Meßwert war allerdings um einen Faktor zwei falsch, wie andere Autoren durch Wiederholung der Experimente mit verbesserten Aufbauten in den nächsten Jahren herausfanden.[3]

Einstein und de Haas hatten das Ergebnis ermittelt, welches für die Vorstellung, dass geladene Elektronen sich auf Kreisbahnen bewegen, theoretisch feststand. Das im Verhältnis dazu doppelt so große magnetische Moment, wie es aus den genaueren Messungen hervorgeht, ist nur durch den Eigendrehimpuls oder Spin der Elektronen zu erklären, für den es seinerseits keine mechanische Erklärung gibt. Der Elektronenspin und sein anomales magnetisches Moment wurden erst 1925 eingeführt.

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. 1,0 1,1 Albert Einstein, W. J. de Haas: Experimenteller Nachweis der Ampereschen Molekularströme. In: Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. Band 17, 1915, S. 152–170 (Volltext in Internet Archive BookReader - ab S 152-.. ).
  2. 2,0 2,1 A. Einstein, W. J. de Haas: Experimental proof of the existence of Ampère's molecular currents. In: Koninklijke Akademie van Wetenschappen te Amsterdam (KNAW), Proceedings. Band 18, I, 1915, S. 696–711 (english, 'Digital Library' of the Dutch History of Science Web Center 2001 [PDF; 654 kB]).
  3. Emil Beck: Zum Experimentellen Nachweis der Ampereschen Molekularströme In: Annalen der Physik Bd. 60, 1919, S. 109-148

Literatur

  • D. Meschede: Gerthsen Physik. 23. Auflage. Springer, Berlin, Heidelberg 2006, ISBN 978-3-540-25421-8, S. 395.
  • Demtröder: Experimentalphysik, 4. Auflage, Bd. 3, S. 168
  • H. Haken und H. C. Wolf: Atom- und Quantenphysik. Einführung in die experimentellen und theoretischen Grundlagen, Springer, Heidelberg 2000.

Weblinks


Kategorien: Atomphysik | Magnetismus | Quantenfeldtheorie

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