(Dit artikel is eerder verschenen in de NVOX quantum special, april 2025)
Het opzetten van een natuurkundig experiment, inclusief het ontwikkelen van een meetopstelling, is een ontwerpproces. We willen studenten in het vervolgonderwijs daarmee kennis laten maken. Daarom ontwerpen en bouwen studenten van de Leidse instrumentenmakers School en studenten Technische Natuurkunde van De Haagse Hogeschool samen een complex, quantummechanisch meetinstrument.
In de beroepspraktijk houden experimenteel en technisch natuurkundigen zich vooral bezig met het bouwen van apparatuur om natuurkundige effecten steeds nauwkeuriger te meten. Voor hen is het bouw- en ontwerpproces vaak belangrijker en tijdrovender dan de theorie. Daar moet dus aandacht voor zijn in de technisch-wetenschappelijke opleidingen van de Leidse Instrumentmakers School (LiS, mbo) en de Haagse Hogeschool (HHS, hbo). Daarom zijn we een samenwerkingsproject gestart waarbij studenten van de LiS en studenten Technische Natuurkunde van HHS een machine ontwikkelen om het kwantummechanisch gedrag van atomen te meten. Het doel is het nabouwen van het beroemde Stern-Gerlach-experiment uit 1922, waarbij atomen magnetisch worden afgebogen. Dit experiment was een belangrijke mijlpaal in de ontwikkeling van de quantummechanica omdat de waarnemingen niet met de klassieke theorie te verklaren zijn. Bij het bouwen van dit instrument komen de studenten erachter dat je in de praktijk met van alles rekening moet houden wat in de theorielessen niet aan bod is gekomen.
Van theorie
Een simpele weergave van het Stern-Gerlach-experiment is te zien in figuur 1a. Een bundel van atomen vliegt langs een sterke elektromagneet. Als de elektromagneet uitstaat, worden de atomen niet afgebogen en komen een stukje verderop in het midden aan. Staat de elektromagneet wel aan, dan worden ze afgebogen. Belangrijk is te vermelden dat de atomen ongeladen zijn, dus de afbuiging wordt niet veroorzaakt door de Lorentzkracht maar door magnetische wisselwerking tussen een atoom en de elektromagneet. Hoeveel de atomen worden afgebogen, hangt af van de (magnetische) oriëntatie van de atomen en hun snelheid. Als ieder atoom in de bundel een willekeurige oriëntatie heeft, voorspelt de klassieke mechanica dat de atomen in een continue verdeling tussen de twee uiterste afbuigingen terecht zullen komen.
In figuur 1b is de uitkomst van het experiment voor een bundel yttrium-atomen weergegeven. Ondanks dat de atomen voor de elektromagneet een willekeurige oriëntatie hebben, worden de atomen niet in een continue patroon over het detectievlak verdeeld. De atomen worden gesplitst in vier groepen, alsof ze maar vier verschillende oriëntaties hadden voor de elektromagneet. Zie het volgende artikel van deze NVOX-special voor meer informatie over het Stern-Gerlach-experiment.
...Naar praktijk
Veel van de praktische uitdagingen bij het bouwen van het Stern-Gerlach experiment worden in de bovenstaande uitleg genegeerd. In dit project willen we studenten juist kennis laten maken met die uitdagingen. We zullen er een aantal beschrijven.
Twee studenten van HHS maken een deeltjesbundel
Zo bouwen ze druk op in de oven. Via een gaatje in de oven spuiten de kaliumatomen in een straal naar buiten. Vergelijk het met een ballon met een stukje tape waarin een klein gaatje wordt geprikt. Dit werkt alleen als er buiten de oven een goed vacuüm is, anders zouden de deeltjes direct botsen met de lucht en van richting veranderen. Zelfs bij een druk van één microbar botsen de kaliumdeeltjes al na enkele centimeters, dus om een deeltjesbundel tussen de polen van een magneet te laten vliegen is een druk vereist van hooguit enkele tientallen nanobar. Hiervoor is een goede, lekdichte opstelling nodig. Het opsporen en het oplossen van lekken is een erg tijdrovend proces, omdat zelfs het kleinste lek tot een druk van microin plaats van nanobars kan leiden. Dit proces stimuleert studenten om systematisch te werk te gaan bij het opsporen van lekken.
Bij het verlaten van de oven hebben de kaliumdeeltjes niet allemaal dezelfde snelheid: de temperatuur zorgt voor een spreiding in snelheden en dat levert een verbreding van de bundels op. Door strategisch een deel van het kalium af te vangen, kunnen de atomen op snelheid worden geselecteerd. Een deeltjesbundel is bovendien niet oneindig smal, maar heeft een bepaalde breedte. Ook dit zorgt voor een spreiding in de bundel en een uitgesmeerd signaal bij de detector, vergelijkbaar met een wazige foto. Hoe smaller de bundel, hoe beter de pieken bij de detector te onderscheiden zijn. Daarom hebben twee studenten van de LiS instelbare spleten gemaakt waarmee de bundel heel smal kan worden gemaakt. Zo ontdekken en leren studenten in de praktijk dat de echte wereld complexer is dan de theorie. Tot slot moet nog gemeten worden waar de atomen in de bundel na de magneet terechtkomen. Hiervoor is een speciale detector ontwikkeld (figuur 3), waarbij een gloeidraad van wolfraam door een hoge stroomsterkte warm wordt. Wanneer de kaliumatomen met de gloeidraad botsen, worden ze geïoniseerd. Doordat er een positieve spanning over de gloeidraad staat worden de negatieve kaliumionen vervolgens afgestoten richting een collector. De stroom die van de collector vloeit is een maat voor de hoeveelheid deeltjes die op de detector is gekomen. Ook deze detector is ontworpen en gebouwd door studenten van de LiS in samenwerking met de HHS-studenten.
De detector moet bovendien verplaatsbaar zijn, zodat de hoeveelheid deeltjes op verschillende plekken kan worden gemeten. Daarom is de detector via een balg verbonden met de rest van de opstelling. Om nauwkeurige metingen mogelijk te maken, moet de detectorverplaatsing in kleine stappen gebeuren. Hiervoor ontwikkelen de studenten van de LiS een systeem met een stappenmotor, waaraan een ronddraaiende schroef zit die de detector verplaatst. Ook dat brengt weer nieuwe uitdagingen met zich mee.
Conclusie
Het Stern-Gerlach-experiment is een historisch experiment, omdat het de kwantisatie van het impulsmoment van een atoom aantoont. Hoewel de theorie ons als docenten fascineert, is het voor onze studenten belangrijk te ervaren hoe natuurkunde in de praktijk wordt toegepast en te leren met elkaar samen te werken. Hoe voer je metingen uit en welke uitdagingen kom je tegen bij het ontwikkelen van een meetopstelling? Met dergelijke projecten bereiden we de studenten voor op de beroepspraktijk. Het project is bovendien nog in volle gang. Volgende studententeams zullen verder werken aan onder andere de elektromagnetische aspecten en de uitlijning van de opstelling.
Bron
- Van der Tol, J. (2019). Velocities Temperatures and Magnetic moments of cobalt and cobalt dominated alloy clusters, proefschrift, KULeuven
