Stern-Gerlach-Versuch

(auch hier wieder Anlehnung an Wikipedia)
Ein Strahl von (elektrisch neutralen) Silberatomen durchfliegt im Vakuum den Spalt zwischen den Polschuhen eines Magneten. Der eine Polschuh hat die Form einer zum Strahl parallelen Schneide, der andere die einer flachen Rinne; das Magnetfeld ist dadurch in Richtung quer zum Strahl stark inhomogen. Auf einer Glasplatte schlägt sich das Silber nieder. Es werden zwei voneinander getrennte Flecke gefunden, das heißt, das Magnetfeld spaltet den Strahl in zwei getrennte Teilstrahlen auf.

Das Silberatom hat ein magnetisches Dipolmoment bestimmter Größe, auf das im inhomogenen Feld eine Kraft wirkt, die es von seiner geradlinigen Bahn ablenkt.

Grundsätzlich wird das magnetische Moment eines Atoms von der Gesamtheit der Bahndrehimpulse sowie der Spins (Eigendrehimpulse) aller seiner Elektronen gebildet. Die Kreis- oder Drehbewegung der geladenen Elektronen erzeugt einen kleinen Magnetdipol - d.h. ein magnetisches Moment - wie ein Strom in einer Leiterschleife.

Stern und Gerlach maßen 1922 einen Betrag des Drehimpulses von h/(4 pi). Die Bahndrehimpulse können nach dem Atommodell von Bohr nur ganzzahlige Vielfache l*h/(2 pi) sein, und hier erhielten sie nur die Hälfte davon. Die Erklärung kam 1925: Der Eigendrehimpuls oder Spin des Elektrons, den man sich wie die Drehbewegung eines Kreisels vorstellen kann. Er hat den Betrag h/(4 pi).

Im Silberatom trägt nur das 5s-Elektron zum magnetischen Moment bei, denn alle anderen Elektronen bilden abgeschlossene Schalen mit Drehimpuls Null. Das 5s-Elektron hat die Bahndrehimpulsquantenzahl (es besitzt keinen Bahndrehimpuls). Der Gesamtdrehimpuls besteht also nur aus dem Spin dieses einen Elektrons, und das ganze Silberatom verhält sich wie ein einzelnes Spin-1/2-Teilchen. Im Unterschied zum Elektron ist es allerdings elektrisch neutral, kann also durch die im Magnetfeld herrschende Lorentzkraft oder durch elektrische Störfelder nicht abgelenkt werden.