封面說明

1922年，斯特恩和蓋拉赫設(shè)計并實現(xiàn)了現(xiàn)在以他們兩人名字命名的斯特恩-蓋拉赫實驗(Stern-Gerlach experiment)，首次證實了原子磁矩在磁場中的取向是量子化的[1-2].這一實驗結(jié)果不僅對于電子具有自旋自由度的假設(shè)給予了直接的實驗驗證，而且在量子力學的哥本哈根解釋的建立過程中發(fā)揮了不可替代的作用.今年是這一具有里程碑意義的實驗結(jié)果發(fā)表一百周年.本刊以他們的實驗裝置的示意圖作為今年的封面，以致紀念.

奧托·斯特恩(Otto Stern)于1888年2月17日生于德國索勞(Sohrau，即現(xiàn)在波蘭境內(nèi)的Zory).早年在德國的普倫茨勞大學(University of Breslau )學習，1912年獲得博士學位.畢業(yè)后，與愛因斯坦一道先后在捷克的布拉格大學(University of Prague)和瑞士的蘇黎世聯(lián)邦高工(E.T.H., Zurich)工作.1914年，任德國法蘭克福大學(University of Frankfurt-am-Main)理論物理學講師.1923年，任德國漢堡大學(University of Hamburg)物理化學教授，并擔任實驗室主任.他長期從事利用分子束流技術(shù)研究分子性質(zhì)的實驗工作.1933年希特勒上臺后，斯特恩因自己的猶太人身份而被迫離開德國，并移居美國，任卡內(nèi)基技術(shù)學院(The Carnegie Institute of Technology)物理學教授.1943年，他因發(fā)展了分子束方法，并測量質(zhì)子的磁矩等方面的貢獻獲諾貝爾物理學獎.1969年8月17日在美國加州伯克利逝世.

瓦爾特·蓋拉赫(Walther Gerlach)于1889年8月1日生于德國比布里希(Biebrich).1908年進入德國圖賓根大學(University of Tubingen)學習，1912年獲博士學位.1916年任圖賓根大學講師，1921年任德國法蘭克福大學(University of Frankfurt)教授，1925年任圖賓根大學教授，1929年任德國慕尼黑大學(University of Munich)教授.二次大戰(zhàn)期間，他仍留在德國從事研究工作.戰(zhàn)后，蓋拉赫曾任聯(lián)邦德國波恩大學(University of Bonn)客座教授，以及慕尼黑大學教授.1979年8月10日在慕尼黑逝世.蓋拉赫在有關(guān)電磁輻射場、光譜學和量子理論等研究領(lǐng)域都有貢獻，著有《量子論基礎(chǔ)》、《磁學》、《人和自然》和《開普勒與哥白尼學說》等書籍.

在1922年，量子力學尚未建立.物理學家們?nèi)栽诶糜刹栆?，索末菲爾德改進的老的量子論來研究復雜原子的光譜，特別是在有外磁場情況下的反常塞曼效應.根據(jù)這一理論，一個原子中電子軌道角動量在外磁場方向上的投影值應該是分立的，稱為空間量子化(Space quantization).有趣的是，盡管物理學家們是根據(jù)這一結(jié)果來計算原子能級在外磁場中的分裂值的，卻沒有人相信空間量子化現(xiàn)象是實驗上可以直接觀測的.但斯特恩相信，可以利用他發(fā)展起來的分子束方法來驗證這一理論.為此，他與蓋拉赫一起設(shè)計了如下的實驗裝置：將金屬銀在爐內(nèi)加熱，蒸發(fā)出銀原子，使之通過狹縫形成細束，并經(jīng)過一個磁場梯度垂直于射束方向的不均勻區(qū)域，最終凝結(jié)在一塊顯像板上(當然，整個實驗裝置是處于一個抽成真空的環(huán)境內(nèi)的).若原子中的電子具有不為零的角動量，則它也具有磁矩μ，故受到一個與其在外磁場方向的投影成正比的力:

由于物理學家們當時相信，處于銀原子最外層軌道上的電子具有軌道角動量L=1，故其在外磁場方向上的有效投影值只有兩個(投影值為零的軌道被認為是不存在的)，那么在顯像板上應該顯現(xiàn)出上、下兩條分立的斑跡.斯特恩-蓋拉赫實驗的結(jié)果證實了這一理論預言，盡管后人發(fā)現(xiàn)，真正導致分立斑跡出現(xiàn)的實際上是電子的自旋自由度，而非其軌道角動量[3].

有關(guān)斯特恩-蓋拉赫實驗進行過程中所遇到的種種困難以及一些逸聞趣事的回顧，可參見文獻[4].