斯特恩-蓋拉赫實驗

斯特恩－革拉赫實驗（Stern-Gerlach experiment）是首次證實原子 在磁場中取向量子化的著名實驗，證實了原子角動量的量子化。由奧托·斯特恩和瓦爾特·格拉赫在1922年完成，奧托·斯特恩因此獲得1943年諾貝爾物理學獎（期間擔任美國加州大學伯克利分校物理學教授，後在該校退休）。

基本介紹

• 中文名：斯特恩–革拉赫實驗
• 外文名：Stern-Gerlach experiment
• 特徵：驗證電子角動量的空間量子化。
• 地位：20世紀的重要物理實驗
• 實驗時間：1921年

實驗證實

實驗裝置：使銀原子在電爐內蒸發射出，通過狹縫S₁、S₂形成細束，經過一個抽成真空的不均勻的磁場區域（磁場垂直於射束方向），最後到達照相底片上。顯像後的底片上出現了兩條黑斑，表示銀原子經過不均勻磁場區域時分成了兩束。
根據實驗中的爐溫、磁極長度、橫向不均勻磁場的梯度和原子束偏離中心的位移，可計算出原子磁矩在磁場方向上分量的大小。當時測得銀、銅、金和鹼金屬的原子磁矩分量的大小都等於一個玻爾磁子，它們的原子束都只分裂為對稱的兩束。實驗結果說明，原子在磁場中不能任意取向，證實了A.索末菲和P.德拜在1916年建立的原子的角動量在空間某特殊方向上取向量子化的理論。

理論詮釋

直到1925年G.烏倫貝克和S.古茲密特提出電子自旋的假設，實驗結果才得到了全面的解釋。原子磁矩是電子的軌道磁矩和自旋磁矩的和（原子核磁矩很小，可忽略），在磁場方向上的分量μ_z只能取以下數值：

μ_z=－m_lgμ_B，m_l=J,J－1,…,－J

式中m稱為磁量子數；J為總角動量量子數；μ_B為玻爾磁子；g為朗德因子（見原子磁矩）。即原子磁矩在磁場中只能取2J+1個分立數值。銀原子的基態是²S_1/2，J=1/2，m=1/2,–1/2，所以實驗中在底片上出現兩條黑斑。

說明磁矩有兩種取值，當時人們並沒有自旋的概念，根據經典理論，軌道角動量的取值只能是整數。解決方案是引入電子自旋。

自旋是一個沒有經典理論對應的物理量，通常人們會把自旋理解為電子自身的轉動，但這種物理圖像不成立：①迄今為止的實驗未發現電子有尺寸的下限，即電子是沒有大小的；②如果把電子自旋構想為有限大小均勻分布的電荷球圍繞自身轉動，電荷球表面切線速度將超過光速，與相對論矛盾。

因此自旋的物理現象是純粹的量子力學效應。斯特恩－革拉赫實驗說明，原子磁矩取值和自旋磁矩取值無法同時確定，而在經典力學中可以同時確定，這正是量子力學區別於經典力學的本質特徵，體現為海森堡不確定性關係，或者狄拉克非對易代數。

斯特恩–革拉赫實驗是原子物理學和量子力學的基礎實驗之一，它還提供了測量原子磁矩的一種方法，並為原子束和分子束實驗技術奠定了基礎。