ניסוי שטרן-גרלך

ניסוי שטרן-גרלך (Stern-Gerlach experiment) הוא ניסוי חשוב בתחום הפיזיקה האטומית ותורת הקוונטים שבוצע על ידי הפיזיקאים הגרמנים אוטו שטרן ווולטר גרלך בשנת 1922. הניסוי הראה כי לאטומים תנע זוויתי בדיד וגם כי לאלקטרון יש ספין. הניסוי משמש לעיתים להדגמת עקרונות מסוימים של תורת הקוונטים.

הניסוי מתבסס על כך ששדה מגנטי לא אחיד מפעיל כוח על גופים בעלי מומנט מגנטי העוברים דרכו. קלאסית עומד כוח זה ביחס ישר למידת השתנות השדה הלא אחיד לאורכו של ציר נתון, ולרכיב המומנט המגנטי בכיוון ציר זה של הגוף העובר דרך השדה, והוא נתון בביטוי ${\vec {F}}={\vec {\nabla }}({\vec {\mu }}\cdot {\vec {B}})$ . לכן, כאשר חלקיקים בעלי מומנט מגנטי ידוע ואוריינטציה אקראית במרחב מועברים דרך אזור בו יש שדה מגנטי בעל גרדיאנט ידוע, ניתן למדוד בעזרת הסטייה שלהם מן המסלול המקורי את המומנט המגנטי שלהם בכיוון מסוים. מומנט מגנטי זה תלוי בתנע הזוויתי של החלקיקים. קלאסית, בגלל האוריינטציה האקראית של החלקיקים לפני כניסתם לשדה המגנטי, התנע הזוויתי שלהם (בכיוון מסוים) יכול לקבל רצף של ערכים, והתפלגות פגיעות החלקיקים בגלאי אמורה לשקף זאת.

בניסוי נודפו אטומי כסף על ידי חימום כסף בתנור, ולאחר מכן הם הוכוונו כאלומה דרך שדה מגנטי לא אחיד. ברור כי בכניסה לשדה המגנטי האוריינטציה המרחבית של אטומי הכסף הייתה אקראית. ביציאה מהשדה המגנטי הוצבה כגלאי לוחית, ועליה הצטברו אטומי הכסף בהתאם למקום פגיעתם. מהרישום שהותירו החלקיקים בגלאי התברר כי התנע הזוויתי שלהם מתפלג סביב שני ערכים בלבד, $\pm {\frac {\hbar }{2}}$ במקום סביב רצף ערכים המתבקש על פי המכניקה הקלאסית. המסקנה מתוצאה זו היא שהתנע הזוויתי אינו רציף, ומקבל ערכים בדידים. ב-1927 הפעילו פיפס וטיילור מערך ניסוי הדומה לזה של שטרן וגרלך, על אלומת אטומי מימן. גם בניסוי זה התפלג התנע הזוויתי סביב שני ערכים בדידים. החשיבות שבניסוי פיפס וטיילור הייתה בכך שניתן היה להסיק ממנו מסקנות יותר חד משמעיות מאשר בניסוי שטרן-גרלך באשר לגורם ההתפלגות לערכי תנע בדידים, מכיוון שבאטומי מימן פרוטון בודד ואלקטרון בודד. מניסוי זה התברר כי מקור התנע הזוויתי בניסויים אלה הוא האלקטרון, ומכאן שלאלקטרון יש ספין (תנע זוויתי אינטרינזי). מסקנה זו הבהירה כי זהו גם מקור ערכי התנע הבדידים בניסוי שטרן-גרלך. התנע הזוויתי המרחבי הכולל של אטום כסף הוא אפס, אך לאטומי כסף יש מלבד קליפות אלקטרונים מלאות, אלקטרון יחיד בתת הקליפה 5s, והוא הגורם לערכי התנע הבדידים שנרשמו בניסוי.