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Feinstruktur der Atomspektren

Stern-Gerlach-Versuch

Abb.1
Stern-Gerlach-Versuch

Der Stern-Gerlach-Versuch: A prinzipieller Aufbau, B der Spin eines Elektrons, C das damit verknüpfte magnetische Moment.

Stern und Gerlach schickten im Jahre 1921 Silberatome durch ein inhomogenes Magnetfeld. Da diese selbst kleine Magnete bzw. magnetische Dipole darstellen, erfahren sie in dem inhomogenen Magnetfeld eine Kraft und werden abgelenkt. Klassisch erwartet man nun, dass die Achsen der kleinen Dipole in beliebige Raumrichtungen zeigen können und die Atome beim Auftreffen auf den Schirm einen ganzen Bereich ausfüllen (in der Abbildung den zwischen den gekrümmten Linien). In Wirklichkeit jedoch wurden nur zwei Banden beobachtet, so als ob es nur zwei Einstellmöglichkeiten gäbe. Da Silberatome nur ein einzelnes Valenzelektron in einer s-Unterschale und deswegen keinen Bahndrehimpuls und somit auch kein dadurch verursachtes magnetisches Moment haben, bleibt nur die Möglichkeit, dass die Elektronen selbst einen "Eigendrehimpuls" und ein damit verbundenes magnetisches Moment haben. Außerdem gab es offensichtlich zwei Einstellmöglichkeiten, was nur dann überhaupt möglich ist, wenn die Elektronen im Unterschied zum Bahndrehipuls (Drehimpuls) einen halbzahligen "Eigendrehimpuls" haben. Er wird Spin genannt und mit s bezeichnet:

| s | = s ( s + 1 ) | s z | = m s = h 2 π  = Planck'sches Wirkungsquantum / 2 π s = 1 2 =  Spinquantenzahl | s z | =  z-Komponente des Spins m s = ± 1 2 =  magnetische Spinquantenzahl

Verknüpft mit dem Spin ist ein magnetisches Moment der Größe μ s :

μ s = g s μ B s .

Der Faktor g s ist der g-Faktor des Elektrons und μ B das Bohr'sche Magneton (Bohr'sches Magneton). Er wurde experimentell zu 2,0023 bestimmt, ist also nicht 1 wie beim Bahnmagnetismus. Damit können Spin und Spinmagnetismus nicht klassisch gedeutet werden; der Spin ist eine rein mikrophysikalische Observable.

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