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施特恩-格拉赫实验

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施特恩-格拉赫实验装置图
施特恩-格拉赫实验装置图

施特恩-格拉赫实验德国物理学家奥托·施特恩瓦尔特·格拉赫为证实原子角动量量子化于1921年到1922年期间完成的一个著名实验[1]。如图所示,施特恩-格拉赫实验设法令高温的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。如果原子磁矩的方向是可以任意取向的,则屏上形成一片黑斑。而实验发现屏上形成了几条清晰的黑斑,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向量子化的实验。

法兰克福大学纪念施特恩-格拉赫实验的铭牌
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 ,其中 角量子数。对于等原子,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。

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.
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施特恩-格拉赫实验
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