施特恩-格拉赫实验

量子力学中的施特恩-格拉赫实验（英语：Stern-Gerlach experiemnt）为证实了原子角动量量子化的一个著名实验。^[1]该实验由德国物理学家奥托·施特恩和瓦尔特·格拉赫完成。实验的构想由施特恩在1921年提出，格拉赫于1922年初完成。

施特恩-格拉赫实验装置图

如图所示，施特恩-格拉赫实验设法令高温的银原子从高温炉中射出，经狭缝准直后形成一个原子射线束，而后银原子射线束通过一个不均匀的磁场区域，射线束在磁场作用下发生偏折，最后落在屏上。如果原子的磁矩可以任意取向，则屏上会出现一片黑斑。而实验发现屏上形成了几条离散、清晰的黑斑，表明银原子的磁矩只能取几个特定的方向，从而验证了原子角动量的投影是量子化的。施特恩-格拉赫实验是历史上第一次直接观察到原子磁矩取矢量子化的实验。

法兰克福大学纪念施特恩-格拉赫实验的铭牌

由于高温炉中的温度不足以令大多数原子从基态激发到激发态，施特恩-格拉赫实验主要显示的是基态原子的角动量和磁矩。如果只考虑原子的轨道角动量，屏上斑纹的条数应当是 ${\displaystyle 2l+1}$ ，其中 ${\displaystyle l}$ 是角量子数。对于锂、钠、钾、金、银、铜等原子，实验得到了两条斑纹，反推角量子数是1/2。而根据当时的理论，角量子数只能取整数，因此施特恩-格拉赫实验显示，原子中不只有轨道角动量，还应当有其他形式的角动量。此外，对氧原子所做施特恩-格拉赫实验得到5条斑纹，反推角量子数为2，与当时的理论不符。

如果在施特恩-格拉赫实验的屏上特定位置设置狭缝，可以选择只让某一能态的原子通过。这一技术广泛应用于拉比磁共振实验。

实验概述

参见：自旋量子数

施特恩-格拉赫实验将银原子束射入一段非均强磁场并观察其偏移。银原子在高温炉中被气化，通过细缝将原子局限为一细束。原子束在到达屏前将经过一段非均强磁场。经典物理的理论预测屏上固化的银原子的形状是一条不间断的细线。然而该磁场将原子束偏移到两个不同的方向，在屏上形成两个分开的细线。

实验结果表明微观粒子所具有的内禀角动量与经典力学中的角动量非常类似，但仅可以取量子化的值。另一重要结论是同一时刻仅能测量到粒子自旋的一个分量，这意味着测量自旋关于z-轴的分量将会“摧毁”关于自旋关于x-轴和y-轴的分量的讯息。

一般会使用电中性粒子进行此实验，如银原子。运动电荷在磁场下对路径造成的偏移较大，因而难以观察由自旋产生的偏移。

虽然在此实验以前已经观察到原子光谱一类的量子现象，但是施特恩-格拉赫实验是科学家首次直接地观察到不同量子态的分离。

延伸阅读

• Friedrich, Bretislav, Dudley Herschbach, "Stern and Gerlach: How a Bad Cigar Helped Reorient Atomic Physics", Physics Today, 2003.12.

参考文献

1. Gerlach, W., Stern, O., 1922, Zeitschrift für Physik, 9, 349.