100 Jahre Stern-Gerlach-Experiment

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  Kaum ein Physikexperiment der vergangenen 200 Jahre hat einen so großen Einfluss auf die Wissenschaften gehabt, wie das Stern-Gerlach-Experiment ¹.
• Es ist eines der experimentellen Fundamente der modernen Quantenphysik und der modernen Quantentechnologien und hat im letzten Jahrhundert für gewaltige Veränderungen in der physikalischen Grundlagenwissenschaft sowie der Technologie gesorgt.

Mit der von Otto Stern 1919 entwickelten Molekularstrahlmethode² gelang es Walther Gerlach und Otto Stern 1922 in Frankfurt am Main ein Impulsmessgerät zu bauen, das trotz seiner geringen Ausmaße (es war nur ca. 10 cm lang) eine extrem hohe transversale¹ Impulsauflösung erreichte. Mit diesem hochauflösenden Spektrometer konnten sie sozusagen in das Innere von Atomen und später mit einer verbesserten Version sogar in deren Kerne hineinschauen und so z. B. deren magnetische Eigenschaften vermessen.

Das Prinzip dieses Spektrometers ist genial einfach: Man lässt einzelne Atome oder Moleküle, die man in einer Ofenquelle erzeugt, im Vakuum fliegen. Mit Hilfe von Blenden wird ein extrem feiner Strahl erzeugt, in dem alle Atome oder Moleküle in die gleiche Richtung sausen. Anschließend lenkt ein inhomogenes Magnetfeld die Teilchen ab. Den Ablenkwinkel konnten Gerlach und Stern auf 1/100 Grad genau bestimmen. Auf diese Weise gelang es ihnen, das magnetische Moment von Silber-Atomen genauestens zu messen. Damit konnten sie zeigen, dass die magnetischen Momente der Atome und damit der innere Drehimpuls der Elektronenbewegung – wie von Max Planck, Niels Bohr, Arnold Sommerfeld und anderen vorausgesagt – in Einheiten der Planckkonstante ħ quantisiert ist und sich magnetische Atome im äußeren Magnetfeld wie von „Geisterhand“ in diskrete Winkel ausrichten.

Damit haben sie erstmals gezeigt, dass die Bewegungsgesetze der Elektronen in Atomen nicht mit den Gesetzen der klassischen Physik erklärbar sind, sondern dem „gesunden Menschenverstand“ widersprechen. Sie wiesen zudem nach, dass es entgegen den Gesetzen der klassischen Physik halbzahlige Drehimpulse gibt, die dem Elektroneneigenspin zuzuordnen sind. Mit ihrem Versuch konnten sie darüber hinaus erstmals 100%ig „Spin-polarisierte“ Strahlen erzeugen. Stern konnte später in Hamburg mit dieser Methode die innere Struktur des Protons und des Deuterons erforschen.

Beide Physiker wurden mehrfach für den Nobelpreis vorgeschlagen³, darunter auch von Albert Einstein. Stern erhielt ihn für das Jahr 1943; Gerlach hingegen ging leer aus, obwohl er in der Nobellaudatio wie Stern gewürdigt wurde.

Die von Stern und Gerlach benutzte Molekularstrahlmethode wurde in den folgenden Jahrzehnten zu einer der wichtigsten Untersuchungsmethoden der Physik, Chemie und anderen Wissenschaften. Um die 45 weitere Nobelpreise für Physik oder Chemie basieren auf den Erkenntnissen von Stern und Gerlach⁴ – darunter die für Isidor Rabi, Felix Bloch, Edward Mills Purcell und Richard Ernst, die das Kernspinresonanzverfahren entwickelten, für Charles Townes, der den ersten Maser baute, aus dem dann der Laser hervorging, sowie für Norman Ramsey, William Daniel Phillips und Theo Hänsch, die Techniken für die Atomuhr entwickelten, die die Grundlage aller heutigen Präzisionsmessungen in Industrie und Navigationstechniken (GPS) ist.

Fußnoten