作者：林志忠
(台湾交通大学物理研究所及电子物理系)
本文选自《物理》年第2期
1引言
年2月7日晚上至8日清早，德国中部城市气温低寒，下雪，法兰克福大学施特恩—格拉赫实验(Stern—Gerlachexperiment)首次成功测量到了电中性银原子束在非均匀磁场中的双重分裂现象，明确印证了微观尺度世界的量子化特性本质，这是近代物理学史上的重大一笔！
实验是由格拉赫(WaltherGerlach，—)独自进行的，因为施特恩(OttoStern，—)此时正短暂地在德国北部的Rostock大学任教(年9月至年12月)，遇假期时才会回到法兰克福与格拉赫讨论数据，并进一步修正和改善实验设计。根据格拉赫当时的一位博士生WilhelmSchütz回忆说，格拉赫是一位夜猫子，喜欢晚上9点进实验室，一直工作到第二天早晨。但采用这种工作时间的部分原因，也可能是出于当时的实验条件相对简陋，以及实验室空间狭小的限制；而且实验过程必须持续运转数个小时以上，才能在冷凝玻璃盘上(acondenserglassplate)积淀出足够多数量的银原子，以便可以清楚显影。在漫漫长夜里，如果仪器运转顺利，尤其是真空系统与装置的准直都维持正常平稳，格拉赫便会在一旁阅读文献、撰写论文，或是准备上课讲义，与今日的科学研究者的专注工作形式无异。
2分子束方法的庞大威力
年，法国科学家LouisDunoyer首度演示钠原子在真空中的运动，的确有如光子般沿直线前进，证实了麦克斯韦气体动力论的基本假设。这个分(原)子束方法/技术随后被施特恩改善、发展并广泛应用到极致，用它取得了许多项登峰造极的改写近代物理学的成就。分子束方法的原理很简单，在高真空中，把一种金属(如钠、银、铋等)在一个高温腔里加热至其沸点以上，再让四处飞射的金属蒸气(原子)从一个小孔或细长狭缝中飞出。让飞出的原子连续通过两个开有小孔或狭缝的准直挡板，就可以得到一束速度恒定的稀疏(低密度)原子，而且这些电中性原子都处于自由状态，彼此远离，没有碰撞，也不与真空玻璃管壁碰撞。因此，每一颗原子都拥有同样的线性动量1)。由于原子束的速度可以精确调控，因此施特恩马上想到了利用这项技术，在年验证了麦克斯韦—玻尔兹曼分子速率分布(Maxwell—Boltzmanndistributionofmolecularspeeds)的理论函数。紧接着，他与格拉赫合作，在年检验了角动量空间量子化的理论预测——当时许多著名物理学家都认为空间量子化只是一种理论猜想(冥想)，或一种数学符号而已，无关物理真实。此后直到年，从汉堡大学主动辞职，移民美国的约10年半期间，施特恩又使用分子束方法进行了至少以下几项开拓性实验，包括：(1)利用晶体表面散射(衍射)，证实了氦原子及氢分子的波动性，并拥有德布罗意(LouisdeBroglie)预测的物质波长；(2)发现并测量了质子、氘及其他数种原子的磁矩大小。由于质子质量比电子质量大了约倍，因此磁矩信号相对微弱了约倍，这是一项很艰难又精巧的实验2)。这些精巧实验和其不朽结果，每一项都值得被写进量子物理学史或是教科书中。
图1施特恩—格拉赫实验装置示意图。O代表高温腔，SP1及SP2代表狭缝1和2，M代表非均匀电磁铁，P代表由干冰或液态空气冷凝的玻璃沉积盘。在后期的实验中，狭缝的长度为μm，宽度为30μm。
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