施特恩-格拉赫實驗裝置圖
施特恩-格拉赫實驗是德國物理學家奧托·施特恩和瓦爾特·格拉赫為證實原子角動量量子化於1921年到1922年期間完成的一個著名實驗[1]。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。如果原子磁矩的方向是可以任意取向的，則屏上形成一片黑斑。而實驗發現屏上形成了幾條清晰的黑斑，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 
，其中 
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。
延伸閱讀
- Friedrich, Bretislav, Dudley Herschbach, "Stern and Gerlach: How a Bad Cigar Helped Reorient Atomic Physics", Physics Today, 2003.12.
參考文獻
- ^ Gerlach, W., Stern, O., 1922, Zeitschrift für Physik, 9, 349.
