(21)--6-4 史-盖实验原子物理学.pdf

6.4史特恩-盖拉赫实验

史特恩-盖拉赫实验

1921年史特恩盖拉赫进行的实验是对原子角动量空间取向量子化的首次

直接观察，是原子物理学最重要的实验之一。

1943年，史特恩获诺贝尔物理学奖，贡献：

开发了分子束方法以及质子磁矩的测量

1.实验目的

当时，电子自旋角动量的概念尚未提出。

实验目的：观察μ在磁场中取向情况，证明原子轨道角动量在外磁场中具

有空间取向量子化特征。

每个角动量对应一个磁矩，即

量子化量子化=−

2.实验思想

具有磁矩的原子在磁场中受力矩的作用而产生拉莫尔旋进。

对均匀磁场:=0,原子不改变运动路径。

对非均匀磁场:≠0,原子除受力矩作用外,还受到力的作用,而改变运动

路径。

=0,=0,=

实验方法：基态银原子束以相同的速度方向通过与速度方向垂直的不均匀磁

场，不同的原子受力不同，因而落在照相底片上位置不同。由底片上银原

Z

子的分布情况可以判断的分布情况。

Z

N

S

无磁场有磁场

3.实验结果

基态银原子,相片P上有两条黑斑，两者

对称分布。证明了基态银原子有磁矩，且

磁矩μ相对于磁场有两种取向，角动量具

有空间取向量子化特征。

对H、Li、Na、K、Cu、Au等原子也都

观察到了类似的取向行为。为什

按波尔理论，对一轨道角动量，空间么？

取向量子数有2+1，即分裂应为奇数

个。

为了解释上述困难以及碱金属原子的双线结构，1925年两位不到25岁的荷

兰学生乌伦贝克和古兹米特提出电子自旋假设。

4.实验解释

原子束偏离原方向的横向位移为：

l

121212

==()=()

222

应为在方向(z方向)的分量()

()=(−)

2

=−ℏ

21

2

=−∴=−()

2

=,−1,⋯⋯,−，有2+1个值，因而有2