Techniklexikon

Einstein-de-Haas-Versuch

Elektrodynamik und Elektrotechnik, 1915 von A. Einstein und W.J. de Haas durchgeführtes Experiment zur Bestimmung des gyromagnetischen Verhältnisses des Elektrons. Mit dem Einstein-de-Haas-Versuch konnte der Zusammenhang zwischen dem magnetischen Moment m und dem Gesamtdrehimpuls J der Atome eines Eisenstabes bewiesen werden.

Bei dem Experiment ist ein Eisenstab in einer Spule an einem Torsionsfaden so aufgehängt, dass er sich frei um die Längsachse der Spule drehen kann. Mit einem Drehspiegel und einem Laserstrahl können Drehungen des Fadens und damit des Stabes extrem genau gemessen werden. Wird der Spulenstrom kurz angeschaltet (bei Einstein und de Haas durch den Entladestrom eines Kondensators), werden die magnetischen Momente der Eisenatome zumindest teilweise ausgerichtet. Hierdurch ändert sich ihr Drehimpuls. Da der Gesamtdrehimpuls des Stabes erhalten bleibt, muss sich der Stab äusserlich sichtbar entgegengesetzt drehen. Bei magnetisch ausreichend hartem Stahl bleibt nach dem Ausschalten eine Remanenzmagnetisierung M_r mit dem entsprechenden magnetischen Moment m_r = VM_r (V: Probenvolumen) bestehen. Der entsprechende Drehimpuls L des Stabes lässt diesen mit der Frequenz w = L/q aus der Gleichgewichtslage schwingen (q: Trägheitsmoment des Stabes). Damit ergibt sich das gyromagnetische Verhältnis der Elektronen zu

.

Die Messung ergibt ungefähr den Wert 1,76 × 10¹¹C/kg; dies entspricht dem Quotienten aus Elementarladung e und Elektronenmasse m_e. Dieser Wert ist annähernd das Doppelte des Wertes, der sich aus dem klassischen Bild des um den Kern kreisenden Elektrons ergibt (Ampèresche Molekularströme). Der Versuch ist daher auch ein Beweis für die Existenz des Spins, genauer gesagt dafür, dass der Ferromagnetismus auf dem Elektronenspin beruht. Das exakte Verhältnis vom gemessenen Wert zur klassischen Erwartung für das gyromagnetische Verhältnis, der Landésche g-Faktor, weicht etwas vom Wert 2 ab. Dieser Effekt ist ist erst im Rahmen der Quantenelektrodynamik zu verstehen.

Einstein-de-Haas-Versuch: Schematischer Versuchsaufbau des Einstein-de-Haas-Versuchs. Ein Eisenstab hängt in einer Spule an einem Torsionsfaden, dessen Drehbewegung mit einem Drehspiegel und einem Laserstrahl gemessen wird.