SternGerlachExperimente

Die Stern-Gerlach-Experimente bezeichnen eine Reihe von Experimenten in der Quantenmechanik, die 1922 von Otto Stern und Walther Gerlach durchgeführt wurden, um die Quantisierung des Drehimpulses von Atomen nachzuweisen. Sie führten erstmals den Nachweis ein, dass Orientierungen des Drehimpuls in messbaren Größen diskret sind und nicht kontinuierlich variieren.

In der Originalausführung wurde ein Strahl neutraler Silberatome durch ein inhomogenes Magnetfeld geführt. Das magnetische Moment der Atome erfährt eine Kraft in Richtung des Feldgradienten, wodurch der Strahl entsprechend der Ausrichtung des Spins auseinandergeht. Die Beobachtung zeigte eine Aufspaltung des Strahls in zwei diskrete Komponenten, vergleichbar mit zwei Strahlenlinien. Da Silberatome eine einzige ungepaarte Elektronen-Spinzuständigkeit besitzen, wurde die Aufspaltung dem Elektronenspins zugeschrieben und nicht dem orbitalen Drehimpuls der Elektronen.

Technisch ergibt sich die Wirkung aus der potenziellen Energie E = −μ·B, und die resultierende Kraft F ≈ ∇(μ·B) führt zu einer räumlichen Trennung der Teilstrahlen entsprechend dem Spinzustand m_s = ±1/2. Die Experimente lieferten damit den ersten direkten empirischen Beleg für die Quantisierung des Drehimpuls und legten den Grundstein für das Konzept des Elektronenspins sowie für das Verständnis der Quantenmessung.

Historisch bedeutend ist der Beitrag zur Entwicklung der Quantenmechanik, zur Spinphysik und zur modernen Quanteninformation. Das Stern-Gerlach-Effekt-Phänomen wird auch in heutigen Experimenten genutzt, um Spins zu polarisieren, zu analysieren oder als Baustein in Quanteninformations-Protokollen einzusetzen, wobei verschiedene Atomsorten, Moleküle oder Ionen beteiligt sein können.