슈테른-게를라흐 실험

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.

1. 개요
2. 설명
- 2.1. 실험 과정
3. 고전적 예측
4. 실험 결과 및 양자역학적 해석
- 4.1. 스핀 1/2 입자를 이용한 실험
5. 순차적 실험
6. 나노 스케일 반도체에서의 구현
7. 역사
8. 중요성
참조

1. 개요

슈테른-게를라흐 실험은 은 원자의 자기 모멘트가 양자화되어 있다는 것을 최초로 증명한 실험이다. 이 실험은 전기적으로 중성인 은 원자 빔을 불균일한 자기장에 통과시켜, 고전 물리학으로는 설명할 수 없는, 두 갈래로 갈라지는 현상을 관찰했다. 이 결과는 은 원자의 자기 모멘트가 두 가지 양자화된 값 중 하나를 가짐을 의미하며, 이는 전자의 스핀이 양자화되어 있음을 보여주는 중요한 증거가 되었다. 이 실험은 각운동량의 양자화에 대한 직접적인 증거를 제공했으며, 현대 물리학 발전에 큰 영향을 미쳤다.

더 읽어볼만한 페이지

1922년 과학 - 1922년 9월 21일 일식
1922년 9월 21일 일식은 개기 일식으로, 중력 렌즈 효과 재확인을 위한 관측 활동이 호주 정부의 지원을 받아 진행되었으며, 에티오피아, 소말리아 등에서 관측되었다.
1922년 과학 - 1922년 3월 28일 일식
1922년 3월 28일 일식은 금환 일식으로, 등급 1.0169, 가림 1.0708, 감마 0.1851의 매개변수를 보였으며, 최대 지속 시간은 4분 6초인 1922년의 일식 계절 중 하나이다.
초기 양자역학 - 광전 효과
광전 효과는 빛이 물질에 닿을 때 전자가 방출되는 현상으로, 빛 에너지가 광자라는 덩어리로 양자화되어 있고, 아인슈타인의 광양자 가설로 설명되며, 다양한 기술에 응용되지만 문제도 야기한다.
초기 양자역학 - 보어 모형
보어 모형은 닐스 보어가 러더퍼드 모형의 한계를 극복하기 위해 양자 개념을 도입하여 전자의 궤도와 각운동량이 양자화된다는 가정으로 수소 원자의 스펙트럼을 설명했지만, 다전자 원자와 불확정성 원리의 모순으로 양자역학에 의해 대체된 원자 모형이다.
물리학 실험 - 토리첼리의 실험
토리첼리의 실험은 에반젤리스타 토리첼리가 수행한 실험으로, 수은 기둥의 높이를 측정하여 대기압의 존재를 증명하고 최초의 기압계를 개발하는 데 기여했다.
물리학 실험 - 푸코의 진자
푸코의 진자는 레옹 푸코가 지구 자전을 실험적으로 증명하기 위해 고안한 장치로, 진동면이 지구를 기준으로 회전하는 현상을 통해 자전을 시각적으로 보여주며 교육 및 전시 목적으로 활용된다.

슈테른-게를라흐 실험
개요
실험 종류	물리학 실험
주요 발견	원자 스핀 양자화
첫 실험	1922년
실험 목적	원자의 자기 모멘트 측정
관련 연구자	오토 슈테른, 발터 게를라흐
실험 상세
실험 대상	은 원자
사용된 장치	불균일 자기장
실험 결과	자기장 방향에 따라 은 원자 빔이 두 갈래로 나뉨 (공간 양자화 증명)
원리	원자의 자기 모멘트가 특정 방향으로만 정렬됨
최초의 실험 보고	1922년 독일 물리학회 학술지
실험적 증거	방향 양자화 증명
실험적 의의	원자 스핀의 양자화 증명, 양자역학 발전에 기여
추가 정보	원자 스핀은 자기 모멘트를 가짐 불균일 자기장 하에서 자기 모멘트는 힘을 받음 은 원자는 짝짓지 않은 하나의 전자를 가짐 입자 빔이 자기장을 통과할 때 공간 양자화로 인해 2개의 빔으로 나뉘어짐 고전적인 예측과는 다름 입자가 특정한 불연속적인 자기 스핀을 갖는다는 증거 제공
기타
실험의 영향	양자 역학에 대한 이해를 높이고, 이후의 연구에 큰 영향을 줌
실험의 재현	현대 물리학에서도 재현되어 실험 결과의 신뢰성을 확인
주요 논문	Der experimentelle Nachweis des magnetischen Moments des Silberatoms Der experimentelle Nachweis des magnetischen Moments des Silberatoms Der experimentelle Nachweis der Richtungsquantelung im Magnetfeld Das magnetische Moment des Silberatoms

2. 설명

슈테른-게를라흐 실험은 입자가 고유한 각운동량을 가지고 있으며, 이 각운동량은 양자화되어 특정 값만 가질 수 있음을 보여준다. 또 다른 중요한 결과는 입자 스핀의 한 성분만 한 번에 측정할 수 있다는 것이다. 즉, z축을 따라 스핀을 측정하면 x축과 y축을 따라 입자의 스핀에 대한 정보가 파괴된다.

입자가 고전적으로 회전하는 물체였다면, 스핀 각운동량 벡터의 분포는 무작위적이고 연속적일 것으로 예상된다. 각 입자는 자기 모멘트와 외부장 기울기의 내적에 비례하는 양만큼 편향되어 검출기 스크린에 어떤 밀도 분포를 생성할 것이다. 그러나 슈테른-게를라흐 장치를 통과하는 입자들은 특정한 양만큼 위 또는 아래로 편향된다. 이는 스핀 각운동량 측정이었으며, 측정 결과가 이산적인 값 또는 점 스펙트럼의 집합을 갖는다는 것을 보여주었다.

원자 스펙트럼과 같은 일부 이산적인 양자 현상은 이전에도 관찰되었지만, 슈테른-게를라흐 실험을 통해 과학자들은 처음으로 이산적인 양자 상태 사이의 분리를 직접 관찰할 수 있었다. 이론적으로, 양자 각운동량은 이산 스펙트럼을 가지며, "각운동량은 양자화된다"라고 표현된다.

전자와 같은 하전 입자를 사용하여 실험을 수행하면, 궤적을 원형으로 구부리려는 로렌츠 힘이 작용한다. 이 힘은 하전 입자의 경로에 수직으로 놓인 전기장으로 상쇄할 수 있다. 전자는 스핀-1/2 입자이며, 어떤 축을 따라 측정한 스핀 각운동량 값으로

+\frac{\hbar}{2}

또는

-\frac{\hbar}{2}

의 두 가지 값만 가질 수 있다. 이는 순수하게 양자역학적인 현상으로, 전자의 고유한 속성이기에 "고유 각운동량"으로도 불린다. 수직축을 따라 스핀을 측정하면, 전자는 자기 모멘트 방향에 따라 "스핀 업" 또는 "스핀 다운"으로 설명된다.

스핀

+\frac{1}{2}

입자를 사용한 실험은 디랙의 브라-켓 표기법으로 설명하는 것이 가장 쉽다. 입자가 슈테른-게를라흐 장치를 통과하면 위 또는 아래로 편향되고, 검출기에 의해 스핀 업 또는 스핀 다운으로 관찰된다. 각운동량 양자수

j

는

+\frac{\hbar}{2}

또는

-\frac{\hbar}{2}

중 하나의 값을 갖는다.

z

축을 따라 운동량을 측정하는 것은

z

축 각운동량 연산자

J_z

에 해당한다. 입자의 초기 상태는 다음과 같다.

:

|\psi\rangle = c_1\left|\psi_{j = +\frac{\hbar}{2}}\right\rangle + c_2\left|\psi_{j = -\frac{\hbar}{2}}\right\rangle

여기서 상수

c_1

및

c_2

는 복소수이며, 초기 상태 스핀은 어떤 방향으로든 향할 수 있다.

|c_1|^2

및

|c_2|^2

는 각각 상태

|\psi\rangle

가

z

축을 따라 측정된 후

\left|\psi_{j = +\frac{\hbar}{2}}\right\rangle

및

\left|\psi_{j = -\frac{\hbar}{2}}\right\rangle

에서 발견될 확률이다. 두 값 중 하나를 발견할 확률이 1이 되도록

|c_1|^2 + |c_2|^2 = 1

로 정규화한다. 측정은 상수의 제곱 크기만 제공하며, 이는 확률로 해석된다.

여러 개의 슈테른-게를라흐 장치(''S-G'' 직사각형)를 연결하면, 이 장치들이 단순한 선택기가 아니라 빛의 편광처럼 관측을 통해 상태를 변화시킨다는 것을 알 수 있다.

순차적으로 연결된 2개의 S-G 분석기의 3D 모델, 중성자의 경로를 보여줌. 두 분석기 모두 z축을 측정 — 실험 1 - 두 번째 S-G 분석기에서는 z- 중성자가 감지되지 않는다

위 그림은 두 번째 동일한 슈테른-게를라흐 장치를 첫 번째 장치의 출구에 배치하면 두 번째 장치의 출력에서 '''z+만 관측된다'''는 것을 보여준다.

2개의 슈테른-게를라흐 분석기를 순차적으로 배열한 3D 모델로, 중성자의 경로를 보여줍니다. 첫 번째 분석기는 z축 스핀을, 두 번째 분석기는 x축 스핀을 측정합니다. — 실험 2 - z 스핀이 알려져 있으며, 이제 x 스핀을 측정합니다.

중간 그림은 첫 번째 장치의 z+ 빔 출구에 다른 슈테른-게를라흐 장치를 배치했을 때, 두 번째 장치는 z축 대신 x축에서 빔의 편향을 측정하여 x+와 x- 출력을 생성한다.

3개의 슈테른-게를라흐 분석기를 순차적으로 배열한 3D 모델로, 중성자가 이를 통과하는 경로를 보여줍니다. 첫 번째 분석기는 z축 스핀을 측정하고, 두 번째 분석기는 x축 스핀을 측정하고, 세 번째 분석기는 다시 z스핀을 측정합니다. — 실험 3

하부 시스템은 z축 편향을 측정하는 세 번째 장치의 출력이 z+뿐만 아니라 '''z-'''도 나타낸다. 이는 불확정성 원리를 보여주는 것으로, x방향 각운동량 측정은 z방향 각운동량에 대한 이전 결정을 파괴한다.

2. 1. 실험 과정

진공에서 전기적으로 중성인 은을 기화하여 정렬된 슬릿을 통과시켜 은 원자 빔(beam^영어)을 만든다. 이 은 원자 빔은 불균일한 자기장을 통과한 뒤, 차가운 유리판 위를 향하게 한다.^[7]^[8] 은 원자는 자기 모멘트를 지니므로 자기장에 영향을 받는다. 불균일한 자기장을 사용하는 이유는 균일한 자기장에서는 은 원자는 세차 운동만 겪으며 그 진로가 변하지 않지만, 불균일한 자기장의 경우에는 은 원자의 진로가 휘기 때문이다. 이때 휘는 정도와 방향은 불균일한 자기장과 그 안에 있는 원자의 쌍극자 방향과의 관계에 따라, 자기 모멘트와 자기장의 기울기 사이의 힘에 따라 변한다.

:

\vec F (\vec r)= (\vec m \cdot \nabla) \vec B (\vec r)

은 원자의 진로가 휘는 정도는 은이 유리판 위에 쌓인 자취를 통해 측정할 수 있다.

고전적으로 자기 모멘트는 연속적인 값이므로, 유리판 위의 자취는 연속적인 모양을 해야 한다. 그러나 실제 실험을 해 보면, 자취는 두 개의 서로 떨어진 점이다. 즉, 자취가 불연속적이고, 은의 자기 모멘트는 두 개의 양자화된 값 가운데 하나를 가진다는 사실을 알 수 있다. 은의 자기 모멘트는 그 각운동량에 비례한다. 따라서 은의 바닥 상태에서 가능한 각운동량 값이 두 가지다. 양자역학적으로, 이는 은 원자 안의 전자의 스핀의 임의의 성분이 두 가지 값을 가질 수 있기 때문이다.^[9]

이 실험은 일반적으로 전기적으로 중성 입자인 은 원자를 사용하여 수행된다. 이것은 자기장을 통과하는 하전 입자의 경로에서 발생하는 큰 편향을 피하고 스핀 의존 효과가 우세하게 한다.

입자가 고전적으로 회전하는 자기 쌍극자로 취급된다면, 자기장이 쌍극자에 가하는 토크 때문에 자기장에서 세차 운동을 할 것이다. 균일한 자기장을 통과하면 쌍극자의 반대쪽 끝에 가해지는 힘이 서로 상쇄되어 입자의 궤적은 영향을 받지 않는다. 그러나 자기장이 불균일하면 쌍극자의 한쪽 끝에 가해지는 힘이 다른 쪽 끝에 가해지는 반대 힘보다 약간 더 커서 입자의 궤적을 편향시키는 알짜힘이 생긴다.

3. 고전적 예측

슈테른-게를라흐 실험에서, 고전 물리학은 은 원자가 자기 모멘트를 가지며, 이 값은 연속적인 값을 가질 것이라고 예측한다. 따라서 실험 결과로 유리판 위에 나타나는 자취는 연속적인 모양이어야 한다. 이는 자기장이 균일하면 쌍극자의 반대쪽에 작용하는 힘이 상쇄되어 입자의 궤적에 영향이 없지만, 불균일한 자기장에서는 한쪽 끝에 더 큰 힘이 작용하여 궤적이 휘게 되기 때문이다.

만약 입자가 고전적으로 회전하는 물체라면, 스핀 각운동량 벡터의 분포는 무작위적이고 연속적일 것이다. 각 입자는 자기 모멘트와 외부 자기장 기울기의 내적에 비례하는 양만큼 편향되어 검출기 스크린에 특정한 밀도 분포를 생성할 것이다. 그러나 실제 실험 결과는 이와 달랐다.

빔 속의 개별 은 원자에 대해서는 자기 모멘트의 방향과 크기가 자유롭기 때문에 자기장으로부터 받는 힘도 다양하다. 따라서 빔의 끝에 있는 스크린에서는 빔 축을 중심으로 퍼지는 분포로 은 원자가 관측될 것으로 예측된다.

4. 실험 결과 및 양자역학적 해석

슈테른-게를라흐 실험 결과, 은 원자 빔은 불균일한 자기장을 통과하면서 두 갈래로 나뉘는 현상이 관측되었다.^[7]^[8] 이는 고전 물리학으로는 설명할 수 없는 현상으로, 은 원자의 자기 모멘트가 연속적인 값이 아닌, 양자화된 두 가지 값 중 하나를 가진다는 것을 의미한다.

이 실험 결과는 입자가 고유한 각운동량(스핀)을 가지며, 이 스핀은 특정 양자화된 값만 가질 수 있음을 보여준다. 또한, 한 번에 한 성분의 스핀만 측정할 수 있으며, 특정 축의 스핀을 측정하면 다른 축의 스핀 정보는 파괴된다는 중요한 사실을 알려준다.^[9]

양자역학에서 전자는 스핀 1/2을 가지는데, 이는 전자의 스핀 상태가 두 가지로 양자화되어 있음을 의미한다. 슈테른-게를라흐 실험은 이산적인 양자 상태 사이의 분리를 처음으로 직접 관찰 가능하게 한 실험으로, 양자역학의 발전에 중요한 기여를 하였다.

4. 1. 스핀 1/2 입자를 이용한 실험

슈테른-게를라흐 실험에서는 진공에서 전기적으로 중성인 은을 기화하여, 이를 정렬된 슬릿을 통과하게 하여 은 원자 빔(beam^영어)을 만든다. 이 은 원자로 이루어진 빔은 불균일한 자기장을 통과한 뒤, 차가운 유리판 위를 향하게 한다. 은 원자는 자기 모멘트를 지니므로 자기장에 영향을 받는다. 불균일한 자기장을 사용하는 이유는 균일한 자기장에서는 은 원자는 세차 운동만 겪으며 그 진로가 변하지 않지만, 불균일한 자기장의 경우에는 은 원자의 진로가 휘기 때문이다. 이때 휘는 정도와 방향은 자기 모멘트와 자기장의 기울기 사이의 힘에 따라 변한다.

:

\vec F (\vec r)= (\vec m \cdot \nabla) \vec B (\vec r)

은 원자의 진로가 휘는 정도는 은이 유리판 위에 쌓인 자취를 통해 측정할 수 있다.

고전적으로 자기 모멘트는 연속적인 값이므로, 유리판 위의 자취는 연속적인 모양을 해야 한다. 그러나 실제 실험을 해 보면, 자취는 두 개의 서로 떨어진 점이다. 즉, 자취가 불연속적이고, 은의 자기 모멘트는 두 개의 양자화된 값 가운데 하나를 가진다는 사실을 알 수 있다. 은의 자기 모멘트는 그 각운동량에 비례한다. 따라서 은의 바닥 상태에서 가능한 각운동량 값이 두 가지다. 양자역학적으로, 이는 은 원자 안의 전자의 스핀의 임의의 성분이 두 가지 값을 가질 수 있기 때문이다.

전자는 스핀-1/2 입자이다. 이 입자들은 어떤 축을 따라 측정한 스핀 각운동량 값으로

+\frac{\hbar}{2}

또는

-\frac{\hbar}{2}

의 두 가지 값만 가질 수 있으며, 이는 순수하게 양자역학적인 현상이다. 그 값이 항상 동일하기 때문에 전자의 고유한 속성으로 간주되며, 때로는 (궤도 각운동량과 구별하기 위해) "고유 각운동량"으로 알려져 있다.(궤도 각운동량은 변할 수 있으며 다른 입자의 존재에 따라 달라진다). 수직축을 따라 스핀을 측정하면, 전자는 각각 자기 모멘트가 위 또는 아래를 가리키는지에 따라 "스핀 업" 또는 "스핀 다운"으로 설명된다.^[1]

스핀

+\frac{1}{2}

입자를 사용한 실험을 수학적으로 설명하기 위해서는 디랙의 브라-켓 표기법을 사용하는 것이 가장 쉽다. 입자가 슈테른-게를라흐 장치를 통과하면 위 또는 아래로 편향되고, 스핀 업 또는 스핀 다운으로 해석하는 검출기에 의해 관찰된다. 이들은 각운동량 양자수

j

로 설명되며,

+\frac{\hbar}{2}

또는

-\frac{\hbar}{2}

의 두 가지 허용 값 중 하나를 가질 수 있다.

z

축을 따라 운동량을 관찰(측정)하는 행위는

z

축 각운동량 연산자에 해당하며, 종종

J_z

로 표시된다. 수학적 용어로 입자의 초기 상태는 다음과 같다.^[1]

:

|\psi\rangle = c_1\left|\psi_{j = +\frac{\hbar}{2}}\right\rangle + c_2\left|\psi_{j = -\frac{\hbar}{2}}\right\rangle

여기서 상수

c_1

및

c_2

는 복소수이다. 이 초기 상태 스핀은 어떤 방향으로든 향할 수 있다. 절댓값의 제곱

|c_1|^2

및

|c_2|^2

는 각각 상태

|\psi\rangle

에 있는 계가

z

축을 따라 측정한 후

\left|\psi_{j = +\frac{\hbar}{2}}\right\rangle

및

\left|\psi_{j = -\frac{\hbar}{2}}\right\rangle

에서 발견될 확률이다. 두 값 중 하나를 발견할 확률이 1이 되도록 상수

c_1

및

c_2

를 정규화해야 한다. 즉,

|c_1|^2 + |c_2|^2 = 1

임을 보장해야 한다. 그러나 이 정보만으로는

c_1

및

c_2

의 값을 결정하기에 충분하지 않다. 왜냐하면 이들은 복소수이기 때문이다. 따라서 측정은 상수의 제곱 크기만 제공하며, 이는 확률로 해석된다.^[1]

실험 결과, 빔은 두 갈래로 나뉘어 관측되었다. 이는 빔 속 은 원자의 자기 모멘트는 크기가 같고, 방향은 자기장에 의해 끌어당겨지거나 반발하는 두 가지 상태 중 하나만을 가진다는 것을 의미한다. 고전역학으로는 이 결과를 설명할 수 없다.^[2]

5. 순차적 실험

여러 개의 슈테른-게를라흐 장치를 연결하면, 이 장치들이 단순한 선택기가 아니라는 것을 알 수 있다. 이 장치들은 빛의 편광에서처럼 관측을 통해 상태를 변화시킨다.^[10] 아래 그림에서 x와 z는 자기장의 방향을 나타내며, x-z 평면은 입자 빔에 수직이다. 음영 처리된 정사각형은 특정 출력의 차단을 나타낸다. 즉, 차단 장치가 있는 각 슈테른-게를라흐 시스템은 두 상태 중 하나를 가진 입자만 다음 장치로 진입하도록 허용한다.^[10]

위 그림은 두 번째 동일한 장치를 첫 번째 장치의 출구에 배치하면 두 번째 장치의 출력에서 '''z+만 관측된다'''는 것을 보여준다. 이는 첫 번째 장치의 z+ 빔만 두 번째 장치로 들어갔으므로, 이 시점의 모든 입자가 z+ 스핀을 가질 것으로 예상되기 때문이다.^[11]

중간 그림은 첫 번째 장치의 z+ 빔 출구에 다른 장치를 배치했을 때, 두 번째 장치가 z축 대신 x축에서 빔의 편향을 측정하여 x+와 x- 출력을 생성하는 것을 보여준다. 고전적으로는 x 특성이 +이고 z 특성이 +인 빔 하나와 x 특성이 -이고 z 특성이 +인 빔 하나를 가질 것으로 예상한다.^[11]

하지만, 하부 시스템은 그러한 예상과 모순된다. z축의 편향을 측정하는 세 번째 장치의 출력은 z+뿐만 아니라 '''z-'''도 나타낸다. 두 번째 장치의 입력이 '''z+만'''으로 구성되었다는 점을 고려할 때, 슈테른-게를라흐 장치가 통과하는 입자의 상태를 변경해야 함을 추론할 수 있다. 이 실험은 불확정성 원리를 보여주는 것으로 해석될 수 있다. 각운동량을 두 개의 수직 방향에서 동시에 측정할 수 없기 때문에, x 방향의 각운동량 측정은 z 방향의 각운동량에 대한 이전 결정을 파괴한다. 그것이 바로 세 번째 장치가 x 측정이 z+ 출력을 실제로 초기화했기 때문에 새롭게 z+와 z- 빔을 측정하는 이유이다.^[11]

6. 나노 스케일 반도체에서의 구현

2012년에 도호쿠 대학, 교토 대학, 도호 대학, NTT 등의 연구 그룹은 강자성체 재료나 외부 자기장을 전혀 사용하지 않고 반도체 내를 흐르는 전자의 스핀을 한 방향으로 정렬하는 방법을 확립했다. 본 실험은 양자역학의 기본 원리인 슈테른-게를라흐 실험을 나노 스케일의 반도체에서 구현한 것에 해당한다.^[34]

7. 역사

슈테른-게를라흐 실험은 1921년 오토 슈테른이 고안하고, 1922년 그와 발터 게를라흐가 프랑크푸르트에서 수행했다.^[10] 실험 당시 원자를 설명하는 데 가장 널리 퍼져 있던 모형은 보어-좀머펠트 모형이었는데,^[12]^[13] 이 모형은 전자가 양전하를 띤 원자핵 주위를 특정한 이산적인 원자 궤도 또는 에너지 준위에서만 돌고 있다고 설명했다. 전자는 특정한 공간 위치에만 존재하도록 양자화되었기 때문에, 서로 다른 궤도로의 분리는 공간 양자화라고 불렸다. 슈테른-게를라흐 실험은 은 원자의 각운동량 방향이 양자화된다는 보어-좀머펠트 가설을 검증하기 위한 것이었다.^[14]

이 실험은 비균일 자기장을 0에서 점진적으로 증가시킬 수 있는 전자석을 사용하여 처음 수행되었다.^[4] 자기장이 0일 때, 은 원자는 검출 유리 슬라이드에 단일 띠로 증착되었다. 자기장을 강하게 하자 띠의 중간 부분이 넓어지기 시작하여 결국 두 개로 갈라져 유리 슬라이드 영상이 가운데가 열리고 양 끝이 닫힌 입술 자국처럼 보였다.^[15] 자기장이 강해서 빔이 두 개로 갈라진 중간 부분에서는 통계적으로 은 원자의 절반이 비균일 자기장에 의해 편향되었다.

이 실험은 조지 우렌벡과 사무엘 고드스미트가 1925년 전자 스핀의 존재에 대한 가설을 제시하기 몇 년 전에 수행되었다는 점에 유의해야 한다.^[16] 슈테른-게를라흐 실험의 결과는 나중에 스핀-1/2 입자에 대한 양자 역학의 예측과 일치하는 것으로 밝혀졌지만, 실험 결과는 보어-좀머펠트 이론과도 일치했다.^[17]

1927년 T.E. 필립스와 J.B. 테일러는 수소 원자를 사용하여 바닥 상태에서 이 효과를 재현하여 은 원자를 사용함으로써 발생할 수 있는 의문을 없앴다.^[18] 그러나 1926년 비상대론적 스칼라 슈뢰딩거 방정식은 수소의 자기 모멘트를 바닥 상태에서 0으로 잘못 예측했다. 이 문제를 해결하기 위해 볼프강 파울리는 그의 이름을 딴 3개의 파울리 행렬을 사용하여 슈뢰딩거 방정식의 스핀-1/2 버전을 고려했는데, 이는 나중에 폴 디랙이 1928년 그의 상대론적 디랙 방정식의 결과임을 보였다.

1930년대 초 슈테른은 오토 로버트 프리슈와 이마누엘 에스터만과 함께 분자선 장치를 개선하여 전자 모멘트보다 거의 2000배 작은 값인 양성자의 자기 모멘트를 측정했다. 1931년 그레고리 브라이트와 아이작 아이작 라비의 이론적 분석은 원자의 전자 배열이 알려져 있으면 이 장치를 사용하여 핵 스핀을 측정할 수 있음을 보였다. 라비와 빅터 W. 코헨은 1934년 이 개념을 적용하여 나트륨 원자의 $3/2$ 스핀을 결정했다.^[19]

1938년 라비와 동료들은 진동 자기장 요소를 장치에 삽입하여 핵 자기 공명 분광법을 발명했다.^[20]^[21] 발진기의 주파수를 핵 세차 운동의 주파수로 조정함으로써 연구 대상 물질의 각 양자 준위를 선택적으로 조정할 수 있었다. 라비는 이 연구로 1944년 노벨상을 수상했다.^[22]

8. 중요성

슈테른-게를라흐 실험은 양자역학에서 각운동량의 양자화에 대한 최초의 직접적인 증거였으며,^[1] 이후 현대 물리학의 발전에 큰 영향을 미쳤다.

이후 10년 동안 과학자들은 유사한 기술을 사용하여 일부 원자의 핵도 양자화된 각운동량을 갖는다는 것을 보였다.^[2] 핵 각운동량과 전자의 스핀이 상호 작용하는 것이 초미세 구조의 분광선을 만드는 원인이다.^[3]
노먼 램지는 라비 장치를 수정하여 (분리된 진동장 방법을 사용하여) 감도를 향상시켰다.^[4] 1960년대 초, 램지, H. 마크 골든버그, 다니엘 클레프너는 슈테른-게를라흐 장치를 사용하여 수소 메이저의 에너지원으로 편광된 수소 빔을 생성했다.^[5] 이는 수소 메이저를 기반으로 매우 안정적인 시계를 개발하는 것으로 이어졌다. 1967년부터 2019년까지 초는 9,192,631,770 Hz의 세슘-133 원자의 초미세 전이를 기준으로 정의되었으며,^[6] 이 기준을 설정하는 데 사용되는 원자 시계는 램지의 연구를 응용한 것이다.^[7]
슈테른-게를라흐 실험은 이전에는 연속적이라고 가정되었던 물리적 속성의 불연속적인 값(즉, 고유값)을 관찰하는 것을 보여주는 ''양자 측정''의 원형이 되었다.^[8]^[9]^[10] 슈테른-게를라흐 자석에 들어갈 때 은 원자의 자기 모멘트 방향은 불확정적이지만, 원자가 스크린에서 기록될 때, 그것은 한 지점 또는 다른 지점 중 하나에 있는 것으로 관찰되며, 이 결과는 미리 예측할 수 없다. 이 실험이 양자 측정의 특징을 보여주기 때문에, ''파인만의 물리학 강의''는 양자 이론의 기본 수학을 설명하기 위해 이상적인 슈테른-게를라흐 장치를 사용한다.^[11]^[12]^[13]

참조

_[1] 서적 The Stanford Encyclopedia of Philosophy 2018-08-14
_[2] 저널 Stern and Gerlach: How a Bad Cigar Helped Reorient Atomic Physics
_[3] 저널 The Stern–Gerlach experiment at 100 https://doi.org/10.1[...] 2022
_[4] 저널 Der experimentelle Nachweis der Richtungsquantelung im Magnetfeld
_[5] 저널 Das magnetische Moment des Silberatoms
_[6] 저널 Der experimentelle Nachweis des magnetischen Moments des Silberatoms https://zenodo.org/r[...]
_[7] 서적 The Theory of Atomic Collisions Oxford University Press
_[8] 저널 Comment on "Stern-Gerlach Effect for Electron Beams"
_[9] 서적 Quantum Theory: Concepts and Methods Kluwer
_[10] 서적 Modern Quantum Mechanics Addison-Wesley
_[11] 저널 Stern Gerlach Experiment:Descriptions and Developments https://dokumen.tips[...] 2020-06-08
_[12] 저널 Just a moment 2020
_[13] 서적 Niels Bohr and the quantum atom: The Bohr model of atomic structure 1913–1925 https://doi.org/10.1[...] Oxford University Press 2012
_[14] 저널 Ein Weg zur experimentellen Pruefung der Richtungsquantelung im Magnetfeld
_[15] 서적 An Introduction to Quantum Physics Van Nostrand Reinhold
_[16] 서적 Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, and Particles https://archive.org/[...] Wiley
_[17] 저널 Wrong theory—right experiment: The significance of the Stern–Gerlach experiments
_[18] 저널 The Magnetic Moment of the Hydrogen Atom
_[19] 저널 The Molecular Beam Magnetic Resonance Method. The Radiofrequency Spectra of Atoms and Molecules https://link.aps.org[...] 1946-07-01
_[20] 저널 A New Method of Measuring Nuclear Magnetic Moment 1938
_[21] 저널 Molecular Beams and Nuclear Moments https://pubs.aip.org[...] 1941-12-01
_[22] 웹사이트 The Nobel Prize in Physics 1944 https://www.nobelpri[...]
_[23] 저널 100 years of the Stern–Gerlach experiment https://iopscience.i[...] 2022-12-01
_[24] 서적 Introduction to Quantum Mechanics Pearson Prentice Hall
_[25] 웹사이트 Norman F. Ramsey – Autobiography https://www.nobelpri[...] The Nobel Foundation 2013-06-13
_[26] 저널 The Atomic Hydrogen Maser https://www.jstor.or[...] 1968
_[27] 웹사이트 Nobel Prize press release https://www.nobelpri[...] The Nobel Foundation 2013-06-13
_[28] 서적 Quantum Theory Prentice-Hall
_[29] 서적 Quantum Mechanics W. A. Benjamin, Inc.
_[30] 서적 Fundamentals of Modern Physics John Wiley & Sons
_[31] 서적 The Feynman Lectures on Physics Pearson Addison Wesley 2006
_[32] 저널 Determination of the Quantum State by Measurements https://journals.aps[...] 1968-01-25
_[33] 저널 Three Slit Experiments and the Structure of Quantum Theory http://link.springer[...] 2011-03
_[34] 웹사이트 強磁性体や外部磁場を用いずに電子のスピンを揃えることに世界で初めて成功 -半導体中でシュテルン‐ゲルラッハのスピン分離実験を実現- https://www.eng.toho[...] 2012-09-26
_[35] 저널

본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com