平凡社 世界大百科事典

シュテルン=ゲルラハの実験

磁場の中を運動する荷電粒子について,その角運動量ベクトルは磁場方向の成分が特定のとびとびの値のどれかになるような方向しかとらないこと(方向量子化)を証明した最初の実験。1921年,ドイツのO.シュテルンとゲルラハWalter Gerlach(1889-1979)は加熱した炉から噴出する銀原子をスリットで絞って細いビームとし,下から上に向かい急激に強さを増す磁場を通したところ,ビームは上下の2方向に截然と分裂した。それはビームをガラス板で受けたとき上下に分かれた2ヵ所に銀原子が付着し,中間にはつかなかったことから知られた(図1)。

 銀原子の基底状態における電子の角運動量はスピンのみで,大きさがħ/2であって磁場方向の成分は+ħ/2か-ħ/2のいずれかとなる(ħはプランク定数を2πで割ったもの)。電子は小さい磁石であり,前者の場合そのN極は下,S極は上を向くから,磁場の不均一のため銀原子には差引き下向きの力が働いて,この銀原子の道筋は下に曲がる。後者の銀原子の道筋は上に曲がる。こうして銀原子のビームは2方向に分裂するというのが現代の理解である。実験の当時はまだスピンは発見されていなかった。彼らはA.ゾンマーフェルトとA.ランデが提出していた〈原子の磁気的な芯〉の方向量子化という誤った理論に基づいて実験を行い,解釈もしたのだった。空間量子化の考えにはA.アインシュタインとP.エーレンフェストが強く反対した。

江沢 洋
図1~図2
図1~図2