施特恩-格拉赫實驗

施特恩-格拉赫實驗裝置圖

量子力學中的施特恩-格拉赫實驗（英語：Stern-Gerlach experiemnt）為證實了原子角動量量子化的一個著名實驗。該實驗由德國物理學家奧托·施特恩和瓦爾特·格拉赫完成。實驗的構想由施特恩在1921年提出，格拉赫於1922年初完成。

如圖所示，施特恩-格拉赫實驗設法令高溫的銀原子從高溫爐中射出，經狹縫準直後形成一個原子射線束，而後銀原子射線束通過一個不均勻的磁場區域，射線束在磁場作用下發生偏折，最後落在屏上。如果原子的磁矩可以任意取向，則屏上會出現一片黑斑。而實驗發現屏上形成了幾條離散、清晰的黑斑，表明銀原子的磁矩只能取幾個特定的方向，從而驗證了原子角動量的投影是量子化的。施特恩-格拉赫實驗是歷史上第一次直接觀察到原子磁矩取向量子化的實驗。

法蘭克福大學紀念施特恩-格拉赫實驗的銘牌

由於高溫爐中的溫度不足以令大多數原子從基態激發到激發態，施特恩-格拉赫實驗主要顯示的是基態原子的角動量和磁矩。如果只考慮原子的軌道角動量，屏上斑紋的條數應當是 $2l+1$ ，其中 $l$ 是角量子數。對於鋰、鈉、鉀、金、銀、銅等原子，實驗得到了兩條斑紋，反推角量子數是1/2。而根據當時的理論，角量子數只能取整數，因此施特恩-格拉赫實驗顯示，原子中不只有軌道角動量，還應當有其他形式的角動量。此外，對氧原子所做施特恩-格拉赫實驗得到5條斑紋，反推角量子數為2，與當時的理論不符。

如果在施特恩-格拉赫實驗的屏上特定位置設置狹縫，可以選擇只讓某一能態的原子通過。這一技術廣泛應用於拉比磁共振實驗。

實驗概述

參見：自旋量子數

施特恩-格拉赫實驗將銀原子束射入一段非均強磁場並觀察其偏移。銀原子在高溫爐中被氣化，通過細縫將原子局限為一細束。原子束在到達屏前將經過一段非均強磁場。經典物理的理論預測屏上固化的銀原子的形狀是一條不間斷的細線。然而該磁場將原子束偏移到兩個不同的方向，在屏上形成兩個分開的細線。

實驗結果表明微觀粒子所具有的內稟角動量與經典力學中的角動量非常類似，但僅可以取量子化的值。另一重要結論是同一時刻僅能測量到粒子自旋的一個分量，這意味著測量自旋關於z-軸的分量將會「摧毀」關於自旋關於x-軸和y-軸的分量的訊息。

一般會使用電中性粒子進行此實驗，如銀原子。運動電荷在磁場下對路徑造成的偏移較大，因而難以觀察由自旋產生的偏移。

雖然在此實驗以前已經觀察到原子光譜一類的量子現象，但是施特恩-格拉赫實驗是科學家首次直接地觀察到不同量子態的分離。

延伸閱讀

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