近代斯特恩-盖拉赫实验过程回顾(2)

　　1. 2 斯特恩与分子束方法
　　
　　现在我们知道，空间量子化理论的验证，最终是和一个关键的人，以及一个关键的实验方法结合在一起。这个人就是斯特恩，这个方法就是分子束方法。所以从物理学史的角度来看，物理学实乃全人类所创造。从卢瑟福到玻尔到索末菲（普朗克最早因黑体辐射提出的量子化概念或者也有影响），空间量子化的概念终于被提出，但是要验证这个理论，却需要另外一些之前对此毫不知情、在另外一些领域默默耕耘的人在此时为这个理论诉求做出响应。
　　
　　实际上，在1920 年左右，为空间量子化理论验证的所有准备已经基本成熟。1911 年由法国科学家丢努瓦耶（Louis Dunoyer）所最早提出的分子束方法，经由斯特恩在法兰克福大学工作期间的传承、改造、发展，在 1920 年已经相当成熟。 斯特恩为分子束方法的简洁和直接所着迷，并且意识到分子束方法是研究原子内部结构和运作机理的重要方法，他的一生，几近就是一次关于分子束方法研究的奥德赛之旅[5].
　　
　　1920 年，斯特恩用分子束方法证明了麦克斯韦 -玻尔兹曼速度分布律（史称斯特恩实验），应该说这个实验为后来的斯特恩 -盖拉赫实验的顺利开展做好了充分的准备。 而斯特恩本人的科学素养和实 验 设 计 水 平，也 为 这 个 重 要 的 实 验 做 好 了准备[6].
　　
　　1920 年盖拉赫来到法兰克福大学实验物理研究所，而当时斯特恩是法兰克福大学理论物理研究所玻恩教授的助教，玻恩的理论物理研究所和盖拉赫所在的实验物理研究所相邻[7]. 1921 年初，斯特恩找到盖拉赫，表示想和他一起用分子束方法验证“空间量子化”是否正确。 8 月26 日，他们向《物理学学报》（Zeitschrift für Physik）投递了一篇论文---在磁场中用实验的方法检验空间量子化---就是后来着名的斯特恩 -盖拉赫实验的设计思路[4]. 在1921 年初至 1922 年 2 月，斯特恩主要是负责实验原理的设计，并对实验结果做出预期的计算，盖拉赫主要负责仪器的调试工作，他们对实验所做的贡献约为 9:1[8]. 1921 年秋，斯特恩去了罗斯托克大学，节假期间斯特恩会返回法兰克福大学和盖拉赫不断调试实验装置。1922 年初，他们成功地完成斯特恩- 盖拉赫实验，声名鹊起。 1923 年，斯特恩在汉堡大学建立分子束研究中心，而盖拉赫转向金属的磁偏转研究和辐射计量效应的实验解释，1925 年盖拉赫回到图宾根大学任职物理实验教授[7]. 而到此为止，关于空间量子化的争论，基本上得到了一个初步的回答。
　　
　　2 斯特恩- 盖拉赫实验
　　
　　斯特恩 -盖拉赫实验的基本思想，正如斯特恩在 1921 年8 月26 日向《物理学学报》（Zeitschrift fürPhysik）提交的论文时所指出的一样：“不管量子理论或者经典理论，哪种说法正确，只要一个简单的实验就能证明，即让一束原子通过一处设定的不均匀磁场，观察它的偏转轨迹”[4]. 斯特恩凭着自己的直觉和求真精神开始了他用分子束方法验证空间量子化的“疯狂”之旅。
　　
　　2. 1 实验装置
　　
　　斯特恩有一个独特的习惯，即在进行任何实验之前，他都会将实验中用到的装置进行理论上的计算。比如分子束的形状、强度等，直到用初步的实验装置得到与他理论计算的结果相差不超过 30% 时，他才会进入实验准备工作的下一阶段，所以在做斯特恩 -盖拉赫实验之前，斯特恩同样对整套装置已经做了精密的理论计算。在理论设想达到预期结果这一过程中，斯特恩和盖拉赫实克服了许多技术难题，其中最主要的有3 点：1）磁场在0. 1 nm 的线度内呈不均匀性[3];2） 高温差；3） 高真空。
　　
　　图 2 是当时实验装置的照片，在图注里对各部分的结构给出了简单的介绍。 图 3 是实验装置示意图，高温的炉子使得金属银蒸发成银原子束，由银原子束发射孔 O射出，经过准直器夹缝（S1和 S2） 被准直，再进入不均匀的磁场M,经磁场作用偏转到聚光板 P. 准直器两端的矩形裂缝相距约3 cm,其中矩形裂缝的宽约 0. 03 mm,长为0. 8 mm[4]. 偏转磁场由凹形的 N极（凹形槽长3. 5 cm,宽3 mm,高3cm. ）和凸形的S 极（凸形的顶角为70°）组成，两极最近距离为 2mm[9],整套装置长大约12 cm[4]. 磁场强度约为 0. 1 T,梯度为 10 T/cm[7].
　　 　　
　　由装置各部分的尺寸可知实验装置中分子束装置部分的仪器要求非常精细，而且必须置于一个非常小的玻璃制真空室里，真空室大小近似一支钢笔[4]. 温差大对实验装置也是一个挑战，在分子束的射源 O处，电炉子的温度大概要 1300℃，而在不到 12 cm 远处的聚光板P 附近却充斥着液体空气，温度较低，高温差极易导致玻璃装置脆裂。 加热装置必须在的高真空条件下，这样可以避免原子间相互碰撞产生散射，导致原子的偏转方向改变，影响实验结果。与此同时，整套装置的各部分接口，原子发射孔、准直夹缝两端的矩形裂缝及进入磁场时的光阑孔，它们的几何中心必须在同一条直线上对齐，因为银原子在不均匀磁场中的偏转大约为 0. 1mm,所以就算是大约 10μm 的误差也不能忽略[4].