슈테른-게를라흐 실험

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양자역학

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실험

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방정식

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고등 이론

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해석

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과학자

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응용

양자 컴퓨터 NMR(핵자기공명)

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슈테른-게를라흐 실험 (Stern-Gerlach experiment)은 오토 슈테른(Otto Stern)과 발터 게를라흐(Walther Gerlach)에 의해 실시된 실험(1920년~1921년)으로써 양자역학의 기본원리를 밝혀낸 실험 중의 하나로 꼽힌다. 자기장 내에서 전자와 원자 또는 원자구성 입자들의 공간적인 방향이 양자화되는 것을 증명한 실험이다.

이 실험에서는 진공에서 중성의 은을 증발시켜, 몇 개의 정렬된 슬릿을 통과하게 하여 생성된 은 원자들의 빔이 균일하지 않은 자기장을 통과한 뒤 차가운 유리판 위를 향하게 했다. 이 때 빔의 진로가 둘로 갈라지는 현상이 나타나는데 이는 원자에 내제한 자기모멘트의 영향 때문이다. 균일한 자기장에서는 자기쌍극자는 외부 자기장 안에서 세차운동만을 일으키지만, 균일하지 않은 자기장에서는 두 극에 작용하는 힘들이 같지 않기 때문에 은 원자의 진로가 휘어지게 된다. 이 때에 휘는 정도와 방향은 불균일한 자기장과 그 안에 있는 원자의 쌍극자 방향과의 관계에 따라서 자기모멘트와 자기장의 기울기 사이의 힘에 따라 변한다.

자기장이 없는 상태에서 기구를 통과한 원자 빔은 판 위에 슬릿 모양 그대로의 하나의 가는 선을 나타내지만, 불균일한 자기장이 가해지면 2가지 반대되는 방향에 해당하는 세로의 두 선으로 갈라진다. 만약 은 원자들이 공간적으로 임의의 방향을 가지고 있다면 판 위의 자취는 은 원자들의 여러가지 다양한 휘어짐에 해당하는 넓은 면적으로 벌어질 것이나 실은 그렇지 않았다. 이것은 은의 바닥상태에서 집단 각운동량 J = h/4π, 궤도 각운동량은 0, J의 자기장의 방향 성분이 h/4π와 －h/4π로 양자화되어 있다는 것을 나타낸다고 해석된다. 이 실험은 후에 전자스핀이라는 개념을 낳는 계기가 되었다.