什么是斯特恩-盖拉赫实验呢？一句话说就是：一束银原子通过一个不均匀的磁场之后，银原子分裂成了两束。

就这么简单。

当然，实验看起来很简单，但是稍微一细想，就会发现一些很奇怪的事情。

比如，中学的时候我们学过带电粒子在磁场中会受到洛伦兹力，因而会偏转。但是，这里用的是银原子，整体并不带电，不带电的粒子在磁场中为什么会偏转呢？

如果大家都是同样的银原子，磁场也是一样的，按理说，即便银原子会受力偏转，大家的轨迹也应该是一样的啊？那为什么它会分裂成两束呢？

还有，表述里说了这是一个不均匀磁场，这个不均匀是一定需要的么？如果磁场是均匀的，那还会有这样的结果么？

看似简单的实验背后却暗藏玄机，看似简单的现象却无法理解，这就会促使我们深入思考。

好，接下来我们就一个个问题具体分析。

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首先，为什么中性的原子在磁场中会偏转？

问题的关键就在「不均匀」这三个字上，因为磁场是不均匀的，所以它才会偏转。如果是均匀的磁场，银原子就不会偏转了。

银原子在磁场中偏转了，那肯定表明它受到了什么力。

一个粒子如果想跟电场发生相互作用，它必将具有电荷；一个粒子想跟磁场发生相互作用，它就必须具有磁矩，而磁矩是正比于角动量的。利用电磁学知识进行简单的计算，我们会发现银原子在磁场中受力大小正比于角动量和磁场在这个方向上的变化率。

也就是说，银原子的角动量越大，它受到的力越大；磁场在z方向上变化得越快，这个力越大。

所以我们可以得出结论：如果你给的磁场在z方向是不均匀的，而且你的银原子具有一定的角动量，这个银原子就会偏转。

2

有了这个结论，问题看起来前进了一步，但依然非常棘手。

为什么？就如你所言，我这个银原子想在磁场中受力，需要满足两个条件：第一，磁场不均匀；第二，银原子具有一定的角动量。

不均匀的磁场好说，我们确实给了一个不均匀的磁场，但银原子的角动量从哪里来的？

我们知道，一个物体只有旋转起来，它才具有角动量。银原子具有角动量，难道你能控制银原子旋转？

而且，就算银原子在旋转，大量银原子在那里做无规则的热运动，它也肯定是转得快的有，转的慢的也有，朝上转的有，朝下方转的也有。这样的话，那银原子的角动量应该是各种各样的都有，那银原子受到的力也应该是各种各样的。

那么，受力大一点的，它就偏转得远一点；受力小一点的，它就偏转的近一点。所以，最终呈现在屏幕上的，也应该是距离中点从近到远，哪里都有银原子。那最终的结果，就应该是屏幕上出现一条线，而绝不应该是分裂成两束，在屏幕上打了两个点啊。

银原子只分裂成两束，一束朝上，一束朝下，并且距离相等。那就只能说明：那一堆银原子只受到两个力的作用，一个朝上，一个朝下，并且这两个力大小相等，方向相反。

而磁场又是一样的，你只受到两个力，那自然就说明：银原子的角动量只能取两个值，并且它们大小相等，方向相反。

如果这里有无数的银原子，但是它们的角动量却只能取两个值。那么，这个角动量就绝对不可能是由于银原子的无规则热运动引起的，不可能是银原子自己围着什么轴旋转带来的角动量。

那唯一的结果就是：银原子自己本身就带有一种角动量，这个角动量只能取两个值，它们大小相等，方向相反。就像一个粒子自己本身就带有电荷，正电荷或者负电荷一样。

所以，这个实验首先让我们发现了：银原子本身具有一种内秉的角动量，这种角动量并不是它围着外部空间旋转带来的，而是自己与生俱来的，就像电子和质子与生俱来具有电荷一样。

这种新的内秉的角动量，就叫自旋。

也就是说，银原子具有自旋，它的自旋可以取两个值，它们大小相等，方向相反。

我们进一步把银原子拆开，进入银原子的内部，你会发现银原子的核外具有47个电子。其中，46个电子都在内层满满的排好了，最外层只有1个电子，银原子的自旋就是由这最外层的1个电子带来的。

这也是我们选择银原子做实验的原因。因为它的最外层只有一个电子，角动量的取值只有两个，这样问题就比较简单。如果我们选择其他元素，核外有三四个电子，那它们经过不均匀磁场的时候，还不知道要分裂成多少束呢。

文章来源：《量子电子学报》 网址: http://www.lzdzxbzz.cn/zonghexinwen/2021/0425/845.html

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