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[[분류:물리학]]

[include(틀:프로젝트 문서, 프로젝트=나무위키 물리학 프로젝트)]

* 상위 항목: [[물리학 관련 정보]], [[양자역학]]

Stern–Gerlach experiment

[목차]

== 개요 ==
오토 슈테른(Otto Stern)과 발터 게를라흐(Walther Gerlach)가 1922년에 실시한 [[양자 역학]] 역사에서 중요한 [[실험]] 중 하나로, 초기 양자역학에서 [[제이만 효과]](Zeeman Effect) 등과 함께 [[원자]]의 [[스핀]]의 존재를 밝혀낸 실험이자 그 [[스핀]]이 양자화돼있다는 사실을 밝혀낸 실험이다.

== 실험 내용 ==
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/29/Stern-Gerlach_experiment.PNG

우선 [[진공]]에서 전기적으로 [[중성]]인 [[은]][* 은을 사용한 이유는, 은이 굉장히 무거운 원자라 [[로렌츠 힘]]등의 다른 힘들의 효과를 적게 받고, 궤도 각운동량의 합이 0인 점, 그리고 (상대적으로) 큰 원자라 원자의 궤적을 고전역학적으로 기술해도 큰 탈이 없는 점 등 다양한 이점들 때문이다. 물론 이 실험 설계 당시엔 이런 점들을 전부 고려하진 않았을 테지만...]을 기화시켜서, 한 방향으로 정렬시켜 은 원자 빔을 만든다. 그리고 그렇게 생성된 은 원자 빔을 위와 같은 불균일한 [[자기장]][* 불균일한 자기장을 쓰는 이유는, 균일한 자기장에서 진행하는 자기 모멘트는 단순히 [[세차운동]]만을 일으키면서 진행 방향이 바뀌지 않지만, [[적절]]히 잘 설계된 불균일한 자기장을 이용하면 진행 방향 자체를 특정 방향으로 휘게 만들 수 있다.]을 통과시켜서, 자기장을 통과한 은 원자들이 건너편 스크린에 향하게 한다. 그렇게 반대쪽 스크린에 나온 은 원자들의 분포를 조사하면, 은 원자의 자기 모멘트 분포도 알 수 있는 실험이다.[* <math>\vec F = (\vec m \cdot \vec \nabla) \vec B</math>이므로, 은 원자가 자기장이 0일 때 검출되는 지점으로부터 얼마나 떨어져 있는지를 측정하면 자기 모멘트의 값도 역산할 수 있다.]

고전적으로 봤을 때는, 자기모멘트는 연속적인 값을 취할 수 있으므로, 예상되는 은 원자의 분포는 당연히 연속적인 분포를 보여야 된다. 그런데 실제 실험을 해보면, 연속적이긴 커녕 '''꼴랑 두 줄'''에 걸쳐서 은 원자가 검출되었다. 즉, '''자기 모멘트가 연속적인 값이 아닌 딱 2개의 값만을 갖는다'''는 결과가 나와버린 것이다!

이에 [[물리학자]]들은 '뭔가 원자 자체의 각운동량이랑은 다른, 자기 모멘트를 만들어내는 무언가 다른 원인이 있지 않을까?'라는 생각을 가지게 되었고, 후에 이는 [[제이만 효과]] 실험과 함께 '''[[스핀]]'''이라는 개념으로 정립된다.

== 추가 실험 ==
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/35/Sg-seq.svg/800px-Sg-seq.svg.png

이 실험은 여기서 끝나지 않고 다음과 같은 실험으로 확장된다. 먼저, 위 실험에서 은 원자들이 '두 분류로 나뉘는' 현상을 확인했으므로, z축 방향으로 휘게 만드는 자기장을 만들어서 은 원자 빔을 통과시킨 후, 그 중에서 +z 방향으로 휜 은 원자 빔만을 다시 z축 방향으로 휘게 만드는 자기장에 통과시켰을 때는 은 원자는 +z 방향의 한 줄에서만 검출이 된다. 이는 이미 -z축 방향으로 휘어진 원자들은 다 '걸러냈으므로', +z축 방향으로만 원자가 휜다고 생각하면 문제가 없어보인다.

이번에는, z축방향 자기장 > 그 중 +z 방향 은 원자 빔 > x축 방향 자기장의 순서로 빔을 통과시켜 보자. 그러면 은 원자는 +x, -x 방향의 두 줄에서 검출이 된다. 고전 물리학적인 관점으로 생각했을 때, x축 방향 자기 모멘트, y축 방향 자기 모멘트, z축 방향 자기 모멘트가 전부 독립적으로 존재해서 +z축 방향으로 걸러낸 원자들 안에서도 +x축, -x축 방향 자기 모멘트가 존재한다고 생각하면 아무런 문제가 없다. '''아직까지는.'''

마지막으로, z축방향 자기장 > 그 중 +z 방향 은 원자 빔 > x축 방향 자기장> 그 중 +x 방향 은 원자 빔 > z축방향 자기장에 다시 통과시킨다. 이 때 검출되는 은 원자는 몇 줄일까? 상식적으로 생각해보면 이미 -z축 방향으로 휘어진 원자들은 다 걸러냈으므로, 다시 z축 방향 자기장에 통과시킨다 한들 -z축 방향으로는 원자들이 휘지 않을 게 당연한 것 같다. '''그런데 실제 실험을 해보면, +z축, -z축 방향의 원자가 두 줄로 분명히 검출된다!''' 이미 -z축 방향으로 휜 원자들을 '걸러냈음에도' 불구하고, 이런 결과가 나온 것이다.

이는 당연히 고전역학적인 결과로 설명할 수 없고, [[양자 역학]]의 기묘한 특징 중 하나이자 그 난해함(...)을 대표적으로 나타내는 실험 중 하나이다. 이 현상은 [[불확정성 원리]][* 수학적으로 말하면, z축 방향 스핀 연산자와 x축 방향 스핀 연산자가 비가환이라서 그런다. 수식으로 쓰면 <math>[S_{z}, S_{x}] = i\hbar S_{y} \neq 0</math>으로 나타내어지는데... 더 자세히 알고 싶으면 양자역학 교재를 참고하자.]와 양자역학의 관측에 관한 문제와도 관련이 있는 현상이다.

== 관련 문서 ==
* [[양자 역학]]
* [[스핀]]
* [[쌍극자 모멘트]]
* [[불확정성 원리]]

슈테른-게를라흐 실험 - 편집 역사

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