斯特恩-盖拉赫实验的理论诠释

直到1925年G乌伦贝克和S古兹密特提出电子自旋的假设，实验结果才得到了全面的解释。原子磁矩是电子的轨道磁矩和自旋磁矩的和（原子核磁矩很小，可忽略），在磁场方向上的分量μz只能取以下数值：

μz=－mlgμB，ml=J,J－1,…,－J

式中m称为磁量子数；J为总角动量量子数；μB为玻尔磁子；g为朗德因子（见原子磁矩）。即原子磁矩在磁场中只能取2J+1个分立数值。银原子的基态是2S1/2，J=1/2，m=1/2,–1/2，所以实验中在底片上出现两条黑斑。

说明磁矩有两种取值，当时人们并没有自旋的概念，根据经典理论，轨道角动量的取值只能是整数。解决方案是引入电子自旋。

自旋是一个没有经典理论对应的物理量，通常人们会把自旋理解为电子自身的转动，但这种物理图像不成立：①迄今为止的实验未发现电子有尺寸的下限，即电子是没有大小的；②如果把电子自旋设想为有限大小均匀分布的电荷球围绕自身转动，电荷球表面切线速度将超过光速，与相对论矛盾。

因此自旋的物理现象是纯粹的量子力学效应。斯特恩－革拉赫实验说明，原子磁矩取值和自旋磁矩取值无法同时确定，而在经典力学中可以同时确定，这正是量子力学区别于经典力学的本质特征，体现为海森堡不确定性关系，或者狄拉克非对易代数。

斯特恩–革拉赫实验是原子物理学和量子力学的基础实验之一，它还提供了测量原子磁矩的一种方法，并为原子束和分子束实验技术奠定了基础。

斯特恩早年的研究是在理论物理领域，在统计热力学与量子理论方面有一些重要论文；从1919年他开始转向实验物理，由他研发和使用的分子束方法成为研究分子、原子、原子核性质的有力工具，该方法最初的意图是为了证明气体速率分布的麦克斯韦定律 。1922年他同瓦尔特·盖拉赫合作，做了磁场对磁矩的作用力使原子发生偏转的斯特恩-盖拉赫实验，而后又测量了包括质子在内的亚原子粒子的磁矩；1929年的氢、氦射线衍射实验是对原子和分子的波性质的精彩演示 。

自旋，即是由粒子内禀角动量引起的内禀运动。在量子力学中，自旋（英语：Spin）是粒子所具有的内禀性质，其运算规则类似于经典力学的角动量，并因此产生一个磁场。虽然有时会与经典力学中的自转（例如行星公转时同时进行的自转）相类比，但实际上本质是迥异的。

经典概念中的自转，是物体对于其质心的旋转，比如地球每日的自转是顺着一个通过地心的极轴所作的转动。自旋是微观粒子的一种性质。自旋为半整数的费米子都服从泡利不相容原理，而玻色子都不遵从泡利原理。

扩展资料

基本粒子，对于像光子、电子、各种夸克这样的基本粒子，理论和实验研究都已经发现它们所具有的自旋无法解释为它们所包含的更小单元围绕质心的自转。由于这些不可再分的基本粒子可以认为是真正的点粒子，因此自旋与质量、电量一样，是基本粒子的内禀性质。

对于像质子、中子及原子核这样的亚原子粒子，自旋通常是指总的角动量，即亚原子粒子的自旋角动量和轨道角动量的总和。亚原子粒子的自旋与其它角动量都遵循同样的量子化条件。

——自旋

实验装置：使银原子在电炉内蒸发射出，通过狭缝S1、S2形成细束，经过一个抽成真空的不均匀的磁场区域 （磁场垂直于射束方向），最后到达照相底片上。显像后的底片上出现了两条黑斑，表示银原子经过不均匀磁场区域时分成了两束。　根据实验中的炉温、磁极长度、横向不均匀磁场的梯度和原子束偏离中心的位移，可计算出原子磁矩在磁场方向上分量的大小。当时测得银、铜、金和碱金属的原子磁矩分量的大小都等于一个玻尔磁子，它们的原子束都只分裂为对称的两束。实验结果说明，原子在磁场中不能任意取向，证实了A索末菲和P德拜在1916年建立的原子的角动量在空间某特殊方向上取向量子化的理论。

因为银原子中电子自旋的原因：除了有轨道角动量L外，还有电子的自旋角动量S。两者合成即为总角动量J。J的方向与B的方向有夹角，在空间上mj对B有两个取向（一正一负绝对值相等），且朗德g因子gj＝2（银是单电子）根据分裂宽度公式Z当然对称了。

斯特恩－革拉赫实验（Stern-Gerlach experiment）是首次证实原子 在磁场中取向量子化的著名实验，证实了原子角动量的量子化。由奥托·斯特恩和瓦尔特·格拉赫在1922年完成12，奥托·斯特恩因此获得1943年诺贝尔物理学奖（期间担任美国加州大学伯克利分校物理学教授，后在该校退休）3。