本文的目的就是通过全面调研、整理、挖掘相关文献，期望站在20 世纪初的历史背景下，就实验背景、实验目的、实验原理、实验结果，去尽量全面、真实、系统的还原斯特恩- 盖拉赫实验，着重理清这个实验与电子自旋及角动量空间取向量子化等概念的关系，以期对于这个重要物理实验的价值得到更深刻的认识。大家在相关论文写作时，可以参考这篇题目为“近代斯特恩-盖拉赫实验过程回顾”的物理史论文
原标题：斯特恩 -盖拉赫实验历史概述
摘要：斯特恩 -盖拉赫实验在近代物理实验中的地位举足轻重。 就实验方法而言，其核心部分分子束方法影响了后世许多重要的物理实验。 就量子力学的基本原理而言，它既是量子态制备的范例，又是一些量子测量的成功典例。 通过对大量相关文献的调研和挖掘，立足于物理原理与史料相结合的研究方法，期望尽量真实地还原斯特恩 -盖拉赫实验的历史事实，着重理清该实验与电子自旋、角动量空间取向量子化这两个概念之间的关系。
关键词：斯特恩 -盖拉赫实验；角动量空间取向量子化；电子自旋
斯特恩 -盖拉赫实验是近代物理学史上最有价值的实验之一。1943 年，斯特恩因发展分子束方法所作的贡献和发现质子磁矩获得诺贝尔物理学奖，而这个实验功不可没。 在实验方法上，其核心部分分子束方法在后世得到了世界性的传扬和发展，并且引导了一系列其他重要的物理实验。 在实验原理上，其简洁直观地证明了银原子角动量在磁场中具有空间量子化取向。斯特恩- 盖拉赫实验最初的实验构想，是建立在拉莫尔进动经典理论和玻尔 -索末菲旧量子理论相结合的基础上，但是实验结果却为新量子理论的发展提供了理论引导---肯定了物理世界从经典理论向量子理论发展的正确性。
此外，斯特恩- 盖拉赫实验是近代物理学史上最有趣的实验之一，但是其富有戏剧性和启迪性的科学探索过程却鲜为人知，现在的许多文献对于 实 验 本 身 的 认 识 甚 至 存 在 着 以 讹 传 讹 的敷衍。
本文的目的就是通过全面调研、整理、挖掘相关文献，期望站在20 世纪初的历史背景下，就实验背景、实验目的、实验原理、实验结果，去尽量全面、真实、系统的还原斯特恩- 盖拉赫实验，着重理清这个实验与电子自旋及角动量空间取向量子化等概念的关系，以期对于这个重要物理实验的价值得到更深刻的认识。
1 实验背景
1. 1 空间量子化的提出1911 年5 月，卢瑟福 （E. Rutherford）在英国伦敦的《哲学杂志》上提出了他的原子核式模型[1],成功解释了 α粒子的大角度散射问题。但原子核式模型的提出却带来了新的问题，其中之一就是原子塌缩。按照经典理论，电子绕核做加速运动，将以电磁波的形式向外辐射能量，最终会掉进原子核。 但卢瑟福的原子核式模型却给当时正在英国曼彻斯特大学的尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）留下了深刻的印象。玻尔将普朗克（M. Planck）在 1900 年提出的量子论与卢瑟福的原子核式模型结合，在1913 年3 月发表了关于氢原子理论的文章。玻尔氢原子理论中提到了3 个假设：定态假设，跃迁假设和轨道角动量量子化条件[1]. 3 个假设的提出建立了玻尔模型。 玻尔模型假设电子绕原子核在特定的轨道做圆周运动，电子从一个轨道跃迁到另一轨道时需要吸收或辐射相应的能量。圆周的大小与主量子数n 有关，即定义了第一个量子数。
1916 年，阿诺德·索末菲 （Arnold Sommerfeld）在企图用玻尔模型解释塞曼效应时，因受到“开普勒椭圆”启发将波尔提出的圆形轨道推广到椭圆轨道模型。为了描述氢原子在外加电磁场作用下的行径而提了空间量子化的概念，指出电子绕原子核运动时，量子化不仅与轨道自身“大小”、“形状”有关，还应与轨道空间位置有关，提出方位量子数nφ[2].索末菲认为：“原子中电子的轨道只能假设在空间取某些分立的方向。 例如，在沿 z 方向有外磁场的情况下，电子轨道的法线与磁场方向所夹的角θ 只能取下列值：cos θ = n1/ nφ。 其中，n1是一整数，其绝对值只能小于或等于方位量子数 nφ，如果 nφ= 1 ,则n1= ± 1,0,于是
即电子轨道的法线只能取 3个方向：平行、反平行和垂直于磁场”[3]. （结合文献[2],可以推出nφ对应为量子力学中轨道角动量量子数 l,n1对应为磁量子数 ml），于是按照索末菲的空间量子论，碰巧能解释正常塞曼效应中钠原子（类氢原子） 光谱线一分为三的现象。早在1896 年，荷兰物理学家塞曼在实验中观察钠火焰，发现在磁场中其光谱线有增宽的现象。 经仔细观察，这种增宽现象实际上是因为钠原子的光谱线发生了分裂，而不是谱线的增宽。 在外磁场的作用下，钠光谱线1 条分裂成3 条。 这种现象被称为正常塞曼效应。应用索末菲的理论假设恰好能解释光谱线为什么会分裂成 3条。 但空间量子论的假设对于解释 1897 年12 月由普雷斯顿发现的反常塞曼效应却无能为力，无法给出合理的解释。 普雷斯顿在很多实验中观察到光谱线有时并非分裂成 3条，而且分裂花样复杂，间距不一，这种现象被称为反常塞曼效应。 这似乎又给空间量子化理论的正确性提出了新的质疑。
虽然玻尔与索末菲都认为，将氢原子的空间量子化假设用到准行星电子轨道模型时，电子的轨道在外磁场中应该只有某些确定的离散空间取向。但在 1918 年，玻尔在索末菲的空间量子化基础上又指出“n1= 0 应是禁戒的，因为电子轨道的平面如包含磁场方向，电子的运动会不稳定”[3]. 索末菲和玻尔对于空间量子化的假设在统一中又有了分歧，在相互借鉴与发展的基础上形成我们后来所说的玻尔 -索末菲理论。
所以对于空间量子化是否真实存在、微观机理如何作用，还是无法给出令人信服的解释，这使得当时物理界的先哲们大为恼火。 因此有人甚至说空间量子化不可能存在。 德拜（Peter Debye）就曾向盖拉赫（Walther Gerlach）表明过，“你真的不必要相信空间量子化是真的存在的，它仅仅只是一种电子时间表的计算方法”[4];马克斯·玻恩（Max Born） 也说过，“我一直都认为空间量子化是对一些无法解释的事物一种象征性的表述”[4]. 针对这些疑问和争论---空间量子化的假设是否合理以及空间量子化的事实是否存在---都迫切需要一个实验去给予检验。
