德国物理学家,斯特恩(OttoStern,1888——1969),以

1943年诺贝尔 物理学奖得主
德国物理学家，施特恩（Otto Stern， 1888——1969），以表彰他在发展分 子束方法上所作的贡献和发现了质子
的磁矩。
学习历程
• O.施特恩1888年生于德国的索劳（今波兰的佐 里），他是富裕的粮商O.施特恩和E.施特恩夫妇5 个孩子中的最长者。
• 在确定自己的专业之前，他探索过好几个领域。 例如，他听过索末菲的理论物理课程，也听过拉 梅尔（O.Lummer）和普林格希姆（E.Pringsheim） 的实验物理课程。玻尔兹曼、克劳修斯和能斯托 关于热力学的著作似乎对施特恩产生了影响，使 他在布雷斯劳大学专门搞起物理化学来了。1906 年开始学习物理化学，1912年在布雷斯劳大学获 博士学位。
初出茅庐
• 施特恩后来说他自己是个“做实验的理论家”。 从1912～1919年，他的科学活动主要是做理论 工作，而从1919～1945年则主要是做实验工作。 就理论这一方面，他受到了爱因斯坦的影响。 在布拉格，施特恩做了爱因斯坦的博士后助手， 1913年他又随爱因斯坦到了苏黎世。在这里， 他又受到了爱仑菲斯特和劳厄的影响，并略受 玻恩的影响。服役归来后，1919年他在法兰克 福开始与玻恩一起工作。在这段时间内，施特 恩发表了几篇关于统计力学问题的论文。
•
• 在这以前索末菲已经预言，对于某些原子，例 如氢原子、碱金属原子或者银原子，应该有磁 矩，并且若将它们置于磁场中，这些原子的磁
矩只能有两种取向：其轴和磁矩与磁场平行或
反平行。施特恩认识到，分子束实验能够在经 典理论和量子理论之间作出明确的选择：如果
经典理论是正确的，那么一细束银原子来自百度文库通过
一非均匀磁场时，只应该变宽；但如果空间量
艰难的尝试
• 实验的困难主要来自真空系统，因为原子束实验 对真空的要求相当特殊，为了获得自由飞行的原 子束，要在真空中加热，并保持高度真空，这本 身就是相互矛盾的；再有，原子束装置的一头是 高温，另一头却要进行冷却，以便让原子束凝聚 在接收板上。这样一来，用于真空系统的玻璃器 皿极易炸裂。一旦炸裂，则前功尽弃。所幸盖拉 赫以高度负责的精神投入实验工作，实验人员日 夜守候在真空系统前，每次取样，一般要经过4～ 8 h的溅射。才能有足够的银原子积沉。
明确目标
• 施特恩后来兴趣转到分子束方法。1921年他刚刚完 成用银原子束检验麦克斯韦分子速度分布的实验， 发现分子束方法是一种认识自由粒子性质的有效手 段，于是就打算用银原子束通过非均匀磁场，从原 子束的偏转找寻空间量子化的证据。
• 空间量子化的概念是索末菲1916年为了描述氢原子 在外磁场和外电场作用下的行为而引入量子理论的。 空间量子化可以满意地描述斯塔克效应和正常塞曼 效应，然而一直没有人能够以实验演示空间量子化 的的存在。
• 1922年施特恩到汉堡大学建立的一个研究分子 束的研究所规模并不很大，但它却是分子束研 究的中心，在国际上有巨大影响。很多这方面 的研究课题都是从这里开始的，并通过人员的 交流和互访，扩散到其他国家。从这里开始， 分子束技术形成了一套独特的方法，在近代物 理学的发展中发挥了重要作用。运用它不但验 证了分子速度分布律；实现了分子束的磁致分 裂；测量了原子磁矩；还发现了核磁共振；建 立了原子钟，发明了微波激射器和光激射器— —激光。这些研究成果举世瞩目，施特恩开创 的分子束实验方法在以后的年代取得了丰硕的 成果。
•
• 经过许多尝试和改进，他们取得了空间量子化存 在的确凿证据。他们发表了5篇论文论述了这一工 作，这使施特恩在全球声誉鹊起。
第二次巨大的突破
• 1921年，施特恩被任命为罗斯托克大学理论物 理副教授；1923年，他成为汉堡大学物理化学 教授和实验室主任，在那里，他着手组建有影 响的分子射线研究实验室。在汉堡，无论在理 论上还是实验上，施特恩和泡利都是一对密切 的合作者，加之N.玻尔、P.爱仑菲斯特以及其 他一些人频繁的访问，使他们继续获得巨大的 成功。施特恩从电子到原子和分子，通过实验 验证支持了德布罗意1923～1924年间提出的粒 子的波动性假设。施特恩确定了质子磁矩的数 值，出乎意料地它是狄拉克所预言的二或三倍。
子化理论正确的话，那么原子束就将分裂为互 相分离的两束。
不可多得的合作者
• 摆在施特恩面前的是难以克服的实验难题。 正好这时实验物理学家盖拉赫来到了法兰 克福。盖拉赫正打算用分子束方法检验铋 原子的磁性。两人见面，施特恩向盖拉赫 宣传用非均匀磁场分析原子磁矩的可能性 与验证空间量子化的意义，极力劝说盖拉 赫和自己合作，终于取得了盖拉赫的信任， 由此开始了他们之间的多年合作。