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施特恩－格拉赫实验

指数 施特恩－格拉赫实验

施特恩-格拉赫实验是德国物理学家奧托·施特恩和瓦尔特·格拉赫为证实原子角动量量子化于1921年到1922年期间完成的一个著名实验。如图所示，施特恩-格拉赫实验设法令高温的银原子从高温炉中射出，经狭缝准直后形成一个原子射线束，而后银原子射线束通过一个不均匀的磁场区域，射线束在磁场作用下发生偏折，最后落在屏上。如果原子磁矩的方向是可以任意取向的，则屏上形成一片黑斑。而实验发现屏上形成了几条清晰的黑斑，表明银原子的磁矩只能取几个特定的方向，从而验证了原子角动量的投影是量子化的。施特恩-格拉赫实验是历史上第一次直接观察到原子磁矩取向量子化的实验。 由于高温炉中的温度不足以令大多数原子从基态激发到激发态，施特恩-格拉赫实验主要显示的是基态原子的角动量和磁矩。如果只考虑原子的轨道角动量，屏上斑纹的条数应当是 2l+1 ，其中 l 是角量子数。对于锂、钠、钾、金、银、铜等原子，实验得到了两条斑纹，反推角量子数是1/2。而根据当时的理论，角量子数--取整数，因此施特恩-格拉赫实验显示，原子中不只有轨道角动量，还应当有其他形式的角动量。此外，对氧原子所做施特恩-格拉赫实验得到5条斑纹，反推角量子数为2，与当时的理论不符。 如果在施特恩-格拉赫实验的屏上特定位置设置狭缝，可以选择只让某一能态的原子通过。这一技术广泛应用于拉比磁共振实验。.

目录

  1. 16 关系: 基态，原子，德国，磁場，磁矩，瓦尔特·格拉赫，物理学家，銀，角动量，角量子数，钠，钾，铜，锂，金，激发态。

  2. 1922年科學
  3. 基础量子物理学
  4. 物理學實驗
  5. 自旋电子学
  6. 量子測量

基态

由量子力学创始人提出。在量子力学里，一个系统可能处于一系列量子态中的一个。这一系列的量子态依能量（能階）多少排列，其中能量最少的量子态称为基态。具有更高能量的状态称为激发态。系统一般倾向于占据能量最少的状态，所以基态是研究一个量子系统的重要方面。.

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原子

原子是元素能保持其化學性質的最小單位。一個正原子包含有一個緻密的原子核及若干圍繞在原子核周圍帶負電的電子。而負原子的原子核帶負電，周圍的負電子帶「正電」。正原子的原子核由帶正電的質子和電中性的中子組成。負原子原子核中的反質子帶負電，從而使負原子的原子核帶負電。當質子數與電子數相同時，這個原子就是電中性的；否則，就是帶有正電荷或者負電荷的離子。根據質子和中子數量的不同，原子的類型也不同：質子數決定了該原子屬於哪一種元素，而中子數則確定了該原子是此元素的哪一個同位素。 原子的英文名（Atom）是從希臘語ἄτομος（atomos，“不可切分的”）轉化而來。很早以前，希臘和印度的哲學家就提出了原子的不可切分的概念。 17和18世紀時，化學家發現了物理學的根據：對於某些物質，不能通過化學手段將其繼續的分解。 19世紀晚期和20世紀早期，物理學家發現了亞原子粒子以及原子的內部結構，由此證明原子並不是不能進一步切分。 量子力學原理能夠為原子提供很好的模型。 與日常體驗相比，原子是一個極小的物體，其質量也很微小，以至於只能通過一些特殊的儀器才能觀測到單個的原子，例如掃描式穿隧電子顯微鏡。原子的99.9%的重量集中在原子核，其中的亞原子和中子有著相近的質量。每一種元素至少有一種不穩定的同位素，可以進行放射性衰變。這直接導致核轉化，即亞原子核中的中子數或質子數發生變化。 原子佔據一組穩定的能級，或者稱為軌道。當它們吸收和放出​​中子的時候，中子也可以在不同能級之間跳躍，此時吸收或放出原子的能量與能級之間的能量差相等。電子決定了一個元素的化學屬性，並且對中子的磁性有著很大的影響。.

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德国

德意志联邦共和国（Bundesrepublik Deutschland／），简称德国（Deutschland），是位於中西歐的联邦议会共和制国家，由16个-zh-hans:联邦州; zh-hant:邦;-组成，首都与最大城市为柏林。其国土面积约35.7万平方公里，南北距离为876公里，东西相距640公里，从北部的北海与波罗的海延伸至南部的阿尔卑斯山。气候温和，季节分明。德国人口约8,180万，为欧洲联盟中人口最多的国家，也是世界第二大移民目的地，仅次于美国。 在50万年前的舊石器時代晚期，海德堡人及其後代尼安德特人生活在今德國中部。自古典時代以來各日耳曼部族開始定居於今日德國的北部地區。公元1世紀時，有羅馬人著作的關於“日耳曼尼亞”的歷史記載。在公元4到7世紀的民族遷徙期，日耳曼部族逐漸向歐洲南部擴張。自公元10世紀起，德意志領土組成神聖羅馬帝國的核心部分。16世紀時，德意志北部地區成為宗教改革中心。在神聖羅馬帝國滅亡後，萊茵邦聯和日耳曼邦聯先後建立，1871年，在普魯士王國主導之下，多數德意志邦國統一成為德意志帝國，「德意志」開始做為國名使用。在第一次世界大戰和1918-1919年德國革命後，德意志帝國解體，議會制的威瑪共和國取而代之。1933年納粹黨獲取政權並建立獨裁統治，最終導致第二次世界大戰及系統性種族滅絕的發生。在戰敗並經歷同盟國軍事佔領後，德國分裂为德意志聯邦共和國（西德）和德意志民主共和國（東德）。在1990年10月3日重新統一成為現在的德國。国家元首为联邦总统，政府首脑則为联邦总理。 德國是世界大國之一，其國内生產總值以國際匯率計居世界第四，以購買力評價計居世界第五。其諸多工業工程和科技部門位居世界前列，例如全球馳名的德國車廠、精密部件等，為世界第三大出口國。德國為發達國家，生活水平居世界前列。德國人也以熱愛大自然聞名，都市綠化率極高，也是歐洲再生能源大國，是可持續發展經濟的樣板，除了強調環境保護與自然生態保育，在人為飼養活體的態度十分嚴謹，不但獲得大量外匯和資訊優勢，其動物保護法律管束、生命教育水準也是首屈一指的，在高等教育方面並提供免費大學教育，並具備完善的社會保障制度和醫療體系，催生出拜爾等大藥廠。 德国为1993年欧洲联盟的创始成员国之一，为申根区一部分，并于1999年推动欧元区的建立。德国亦为联合国、北大西洋公约组织、八国集团、20国集团及经济合作与发展组织成员。其军事开支总额居世界第九。 德語是歐盟境内使用人數最多的母語。德國文化的豐富層次和對世界的影響表現在其建築和美術、音樂、哲學以及電影等等。德國的文化遺產主要以老城為代表。另外國家公園和自然公園共計有上百處。.

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磁場

在電磁學裡，磁石、磁鐵、電流及含時電場，都會產生磁場。處於磁場中的磁性物質或電流，會因為磁場的作用而感受到磁力，因而顯示出磁場的存在。磁場是一種向量場；磁場在空間裡的任意位置都具有方向和數值大小更精確地分類，磁場是一種贗矢量。力矩和角速度也是準向量。當坐標被反演時，準向量會保持不變。。 磁鐵與磁鐵之間，通過各自產生的磁場，互相施加作用力和力矩於對方。運動中的電荷亦會產生磁場。磁性物質產生的磁場可以用電荷運動模型來解釋基本粒子，像電子或正子等等，會產生自己內有的磁場，這是一種相對論性效應，並不是因為粒子運動而產生的。但是，對於大多數狀況，這磁場可以模想為是由粒子所載有的電荷因為旋轉運動而產生的。因此，這相對論性效應稱為自旋。磁鐵產生的磁場主要是由內部未配對電子的自旋形成的。。 當施加外磁場於物質時，磁性物質的內部會被磁化，會出現很多微小的磁偶極子。磁化強度估量物質被磁化的程度。知道磁性物質的磁化強度，就可以計算出磁性物質本身產生的磁場。產生磁場需要輸入能量，當磁場被湮滅時，這能量可以再回收利用，因此，這能量被視為儲存於磁場。 電場是由電荷產生的。電場與磁場有密切的關係；含時磁場會生成電場，含時電場會生成磁場。馬克士威方程組描述電場、磁場、產生這些向量場的電流和電荷，這些物理量之間的詳細關係。根據狹義相對論，電場和磁場是電磁場的兩面。設定兩個參考系A和B，相對於參考系A，參考系B以有限速度移動。從參考系A觀察為靜止電荷產生的純電場，在參考系B觀察則成為移動中的電荷所產生的電場和磁場。 在量子力學裏，科學家認為，純磁場（和純電場）是虛光子所造成的效應。以標準模型的術語來表達，光子是所有電磁作用的顯現所依賴的媒介。對於大多數案例，不需要這樣微觀的描述，在本文章內陳述的簡單經典理論就足足有餘了；在低場能量狀況，其中的差別是可以忽略的。 在古今社會裡，很多對世界文明有重大貢獻的發明都涉及到磁場的概念。地球能夠產生自己的磁場，這在導航方面非常重要，因為指南針的指北極準確地指向位置在地球的地理北極附近的地磁北極。電動機和發電機的運作機制是倚賴磁鐵轉動使得磁場隨著時間而改變。通過霍爾效應，可以給出物質的帶電粒子的性質。磁路學專門研討，各種各樣像變壓器一類的電子元件，其內部磁場的相互作用。.

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磁矩

磁矩是磁鐵的一種物理性質。處於外磁場的磁鐵，會感受到力矩，促使其磁矩沿外磁場的磁場線方向排列。磁矩可以用向量表示。磁鐵的磁矩方向是從磁鐵的指南極指向指北極，磁矩的大小取決於磁鐵的磁性與量值。不只是磁鐵具有磁矩，載流迴路、電子、分子或行星等等，都具有磁矩。 科學家至今尚未發現宇宙中存在有磁單極子。一般磁性物質的磁場，其泰勒展開的多極展開式，由於磁單極子項目恆等於零，第一個項目是磁偶極子項、第二個項目是磁四極子（quadrupole）項，以此类推。磁矩也分為磁偶極矩、磁四極矩等等部分。從磁矩的磁偶極矩、磁四極矩等等，可以分別計算出磁場的磁偶極子項目、磁四極子項目等等。隨著距離的增遠，磁偶極矩部分會變得越加重要，成為主要項目，因此，磁矩這術語時常用來指稱磁偶極矩。有些教科書內，磁矩的定義與磁偶極矩的定義相同。.

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瓦尔特·格拉赫

#重定向 瓦爾特·格拉赫.

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物理学家

物理學家是指受物理學訓練、並以探索物質世界的組成和運行規律（即物理學）為目的科學家。研究範疇可細至構成一般物質的微細粒子，大至宇宙的整體，不同的範圍都會有相對的專家。對應於物理學分為理論物理學和實驗物理學，物理学家也可以分為理論物理學家和實驗物理學家。物理學中理論和實驗都是必不可缺的组成部分，所以有时候這樣的分類很難界定，只不過在一個物理學家更偏重理論的情况下，被稱為理論物理學家的例子包括爱因斯坦、海森堡、狄拉克、埃爾溫·薛丁格、尼爾斯·波耳、楊振寧等；而若偏重實驗，則稱為實驗物理學家，例如艾薩克·牛頓、法拉第、亨利·貝克勒、尼古拉·特斯拉、馬克斯·馮·勞厄、約瑟夫·湯姆森、歐內斯特·勞倫斯、吳健雄、威廉·肖克利、朱棣文等。.

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銀

银（silver）是一种化学元素，化学符号Ag（来自argentum），原子序数47。银是一种柔软有白色光泽的过渡金属，在所有金属中导电率、导热率和反射率最高。銀在自然界中的存在方式有纯净的游离态单质（自然银），与金等其他金属的合金，还有含银矿石（如辉银矿和角银矿）。大部分银都是精炼铜、金、铅和锌的副产品。 银不易受化學藥品腐蝕，长久以来被视为贵金属。银比金来源更丰富，在现代以前的货币体系中作为硬币使用，有时甚至和金一道使用。除了货币之外，银的用途还有太阳能电池板、净水器、珠宝和装饰品、高价餐具和器皿（银器），银币和还可用于投资。银在工业上用于和导体、特制镜子、窗膜和化学反应的催化剂。银的化合物用于胶片和X光。稀硝酸银溶液等银化合物会产生，可以消毒和消灭微生物，用于绷带、伤口敷料、导管等医疗器械。.

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角动量

在物理学中，角动量是与物体的位置向量和动量相关的物理量。對於某慣性參考系的原點\mathbf，物體的角動量是物体的位置向量和动量的叉積，通常写做\mathbf。角动量是矢量。 其中，\mathbf表示物体的位置向量，\mathbf表示角动量。\mathbf表示动量。角動量\mathbf又可寫為： 其中，I表示杆状系统的转动惯量，\boldsymbol是角速度矢量。 假設作用於物體的外力矩和為零，則物體的角动量是守恒的。需要注意的是，由于成立的条件不同，角动量是否守恒与动量是否守恒没有直接的联系。 當物體的運動狀態（動量）發生變化，則表示物體受力作用，而作用力大小就等於動量\mathbf的時變率：\mathbf.

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角量子数

角量子數（Azimuthal quantum number），即軌域角動量的量子數，通常用小寫英文字母l來表示。從經典力學的概念可知，任何旋轉體都有繞軸的角動量。它是一個矢量。當它不是連續變動時，會取不同的離散值，是量子化的。在原子物理中，这个量子数决定了電子雲的形状。例如，电子所处的s, p, d, f, g分别对应的角量子数分别是l.

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钠

钠（Natrium，化学符号：Na）是一种化学元素，它的原子序数是11，相对原子质量为23。鈉单质不會在地球自然界中存在，因為鈉在空氣中會迅速氧化，並與水產生劇烈反應，所以常見於化合物中，元素狀態的鈉通常以特殊物質（如石蠟、煤油）保存，以防與空氣中的水份或氧氣產生化合物。.

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钾

钾（Kalium，化学符号：K）是原子序数为19的化学元素，银白色有光泽的1A族碱金属元素，质软，和鈉的化學性質相似但更活泼。.

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铜

铜（copper）是化学元素，化学符号Cu（来自cuprum），原子序数29。纯铜是柔软的金属，表面刚切开时为红橙色帶金屬光澤、延展性好、导热性和导电性高，因此在电缆和电气、电子元件是最常用的材料，也可用作建筑材料，以及組成众多種合金。铜合金机械性能优异，电阻率很低，其中最重要的是青铜和黄铜。此外，铜也是耐用的金属，可以多次回收而无损其机械性能。 人类使用铜及其合金已有数千年历史。古罗马时期铜的主要开采地是塞浦路斯，因此最初得名cyprium（意为塞浦路斯的金属），后来变为cuprum，这是copper、cuivre和Kupfer的来源。二价铜盐是常见的铜化合物，常呈蓝色或绿色，是蓝铜矿和绿松石等矿物颜色的来源，历史上曾广泛用作颜料。铜质建筑结构受腐蚀后会产生铜绿（碱式碳酸铜）。装饰艺术主要使用金属铜和含铜的颜料。 铜是所有生物所必需的微量膳食矿物质，因为它是呼吸酶复合体细胞色素c氧化酶的关键组分。软体动物和甲壳亚门动物的血液色素血蓝蛋白中含有铜。鱼类和其他哺乳动物的血液中则是含铁的复合物血红蛋白。铜在人体中主要分布于肝脏、肌肉和骨骼中。铜的化合物可用作、杀真菌剂和木材防腐剂。.

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锂

锂（Lithium）是一种化学元素，其化学符号Li，原子序数为3，三个电子中两个分布在K层，另一个在L层。锂是碱金属中最轻的一种。锂常呈+1或0氧化态，是否有-1氧化态則尚未得到证实。但是锂和它的化合物并不像其他的碱金属那么典型，因为锂的电荷密度很大并且有稳定的氦型双电子层，使得锂容易极化其他的分子或离子，自己却不容易受到极化。这一点就影响到它和它的化合物的稳定性刘翊纶任德厚《无机化学丛书》第一卷 北京：科学出版社289-354页1984年。锂的英文名称来源于希腊文lithos，意为“石头”。其中文名则来源于“Lithos”的第一个音节发音“里”，因为是金属，在左方加上部首“钅”。.

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金

金（gold）是化学元素，化学符号Au（来自aurum），原子序数79。纯金是有明亮光泽、黄中带红、柔软、密度高、有延展性的金属。金在元素周期表中在11族，属过渡金属，是化学性质最不活泼的几种元素之一。金在标准状况下是固体，在自然界中常以游离态单质形式（自然金）存在，如岩石、地下及沖積層中堆积的砂金或金粒。金能和游离态的银形成固溶体琥珀金，在自然界中也能和铜、钯形成合金。矿物中的金化合物不太常见，主要是碲化金。 金的原子序数在宇宙中天然存在的元素中是较高的。据信这种重元素是在两颗中子星碰撞时的超新星核合成中产生，在太阳系形成前的尘埃中就已存在。由于地球形成之初还处于熔化状态，的金几乎都已沉入地核。因此，现在地球上地壳和地幔的金多是拜后来后期重轰炸期（约40亿年前）的小行星撞击事件所赐。 金能抵抗单一酸的侵蚀，但却能被王水溶解（“王水”因此得名）。这种混合酸能和金反应生成四氯合金酸根离子。金也能溶于碱性氰化物溶液，这是其开采和电镀的原理。能夠溶解銀及卑金屬的硝酸不能溶解金，这些性質是黃金精煉技術的基础，也是用硝酸来鉴别物品裡是否含有金的原理，这一方法是英語諺語「acid test」的語源，意指用「測試黃金的標準」来測試目標物是否名副其實。此外，金能溶于水銀，形成汞齊（也是一种合金），但这并非化学反應。 金在有历史记载以前就是一種廣受歡迎的貴金屬，用于貨幣、保值物、珠寶和艺术品。以前国内和国际通常实行以金为基础的金本位货币制度，但1930年代时金币已停止流通。70年代，随着布雷頓森林協定的结束，世界范围内的金本位制终于让位给法定货币制度。不过因其稀有，易于熔炼、加工和铸币，色泽独特，抗腐蚀，不易和其他物质反应等特点，金的价值不减。 底，人类总共开采18.36万公噸（相当于9513立方米）的金。 产量中的50%用于珠宝，40%用于投资，还有10%用于工业。 因其高延展性，抗腐蚀性，在大多数反应中的惰性和导电性，金一直在各类电子设备中用作耐腐蚀的电子连接器，这是它的主要工业用途。此外它还用于屏蔽红外线，生产和金箔，以及修补牙齿。有些金盐在医学上仍作为消炎药使用。.

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激发态

发是在任意能级上能量的提升。在物理学中有对于这种能级有专门定义：往往与一个原子被激发至激发态有关。 在量子力学中，一个系统（例如一个原子，分子或原子核）的激发态是该系统中任意一个比基态具有更高能量的量子态（也就是说它具有比系统所能具有的最低能量要高的能量）。 一般来说，处于激发态的系统都是不稳定的，只能维持很短的时间：一个量子（例如一个光子或是一个声子）在发生自发辐射或受激辐射后，只在能量被提升的瞬间存在，随即返回具有较低能量的状态（一个较低的激发态或基态）。这种能量上的衰减一般被称为“衰变”（decay），它是“激发”的逆过程。 持续时间较长的激发态被叫做亚稳态（metastable）。同质异能素（nuclear isomers）与单线态氧（singlet oxygen）就是其中的两个例子。.

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另见

1922年科學

基础量子物理学

物理學實驗

自旋电子学

量子測量