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- 고전 물리학과 모순되는 이러한 방향성 양자화는 양자계의 근본적인 특성
- 보어와 좀머펠드가 1916년에 제시한 원자 모델, "원자의 각운동량이 양자화"
- 두 과학자는 불균일한 자기장을 통해 생성된 은 원자 빔을 유리판으로 향하게 함
- Gerlach는 당시 Rostock에 있던 Stern에게 "Bohr의 말이 옳았다"는 내용의 전보 보내

100년 전: 스테른 게를라흐(Stern-Gerlach) 실험
1922년 두 명의 독일 물리학자가 스핀의 방향성 양자화를 처음으로 시연했다.

정확히 100년 전인 1922년 2월 7일부터 8일까지 밤에 두 명의 독일 물리학자가 획기적인 증명에 성공했다. 처음으로 오토 스테른(Otto Stern)과 발터 게를라흐(Walther Gerlach)는 원자의 각운동량이 임의의 방향을 취하지 않고 이산적이고 명확하게 정의할 수 있는 방향만 가질 수 있음을 증명할 수 있었다. 고전 물리학과 모순되는 이러한 방향성 양자화는 양자계의 근본적인 특성이며 오늘날까지 현대 양자물리학의 근간을 이루고 있다. 

▲ Otto Stern(왼쪽)과 Walther Gerlach는 그들의 실험으로 물리학 역사를 썼다. © Jürgen Jaumann/ DPG

전자의 고유 각운동량(스핀)은 이러한 소립자의 기본 속성이며 다양한 방식으로 그 거동을 형성한다. 전기장 또는 자기장의 영향을 받는 이러한 스핀의 정렬과 "뒤집기"는 핵 스핀 단층 촬영에서 레이저 및 양자 컴퓨터에 이르는 응용 분야에서 중요한 역할을 한다.

그러나 스핀이 무엇이며 어떻게 작동하는지 100년 전까지만 해도 거의 알려지지 않았다.
물리학자 Niels Bohr와 Arnold Sommerfeld가 1916년에 제시한 원자 모델은 이미 원자의 각운동량이 양자화되어야 한다고 제안했다. 그들의 이론에 따르면, 이 회전은 모든 방향으로 매끄럽게 가리킬 수 없었고 특정 불연속 각도만 가정할 수 있었다. 이 양자화의 실험적 증거는 아직 보류 중이었다.

자기장의 은 원자

여기서 독일 물리학자 오토 슈테른(Otto Stern)과 발터 게를라흐(Walther Gerlach)가 등장한다. 1919년 초에 Stern은 집중된 원자 빔을 생성하는 방법을 개발했다. 두 연구원은 불균일한 자기장을 통해 생성된 은 원자 빔을 유리판으로 향하게 하여 이를 기반으로 했다. 그들은 이전에 자기장에서 편향될 수 있고 따라서 각운동량을 가져야 한다는 것이 관찰되었기 때문에 은 원자를 선택했다.

오늘날 우리는 은 원자의 이 각운동량은 이 원소의 외부 껍질에 단일 전자가 있다는 사실에 기인한다는 것을 알고 있다. 원자의 총 각운동량은 0이지만 이 단일 외부 전자의 스핀은 자기장에서 은 원자의 거동에 영향을 미친다. 오늘날 Stern-Gerlach 실험은 외부 전자가 하나뿐인 더 저렴한 칼륨 원자로 대부분 수행된다.

▲ Stern-Gerlach 실험의 설정 © Theresa Knott/ CC-by-sa 3.0

두 개의 개별 최대값

Stern과 Gerlach의 실험의 하이라이트:
이러한 원자의 각운동량이 양자화되지 않은 경우, 불균일한 자기장을 통해 비행한 후 원자는 유리판에 거의 균일하고 널리 분포된 필름으로 증착되어야 한다. 그러나 각 모멘트가 매우 특정한 방향만 가리킬 수 있다면 은 침전에 간격이 있어야 한다.

1922년 2월 7일 밤, 때가 되었다.
Gerlach는 프랑크푸르트 암 마인에 있는 Physical Society 건물에서 그와 그의 동료들이 설계한 실험을 수행했다. 그 결과 두 개의 분리된 은 침전물 영역이 유리판에 나타났다. 이것은 각 모멘트가 실제로 방향성 양자화를 나타낸다는 것을 분명히 했다. Gerlach는 당시 Rostock에 있던 Stern에게 "Bohr의 말이 옳았다"는 내용의 전보를 보냈다.

결과적 지식

지난 200년 동안 Stern-Gerlach 실험만큼 과학에 큰 영향을 미친 물리학 실험은 거의 없다. Stern과 Gerlach는 핵스핀 방법, 원자시계, 레이저 등을 사용한 고정밀 시간 측정과 같은 많은 발견으로 현대 양자 물리학의 기반을 마련했기 때문이다. Stern의 분자 빔 측정의 추가 개발은 또한 원자 미세 구조 및 양자 물리학의 다른 측면을 명확히 할 수 있는 새로운 가능성을 열어주었다.

Otto Stern은 분자 빔법으로 1943년 노벨 물리학상을 받았다.
Stern-Gerlach 실험 및 기타 조사 결과로 핵자기 공명 방법, 레이저 및 원자시계 개발에 대한 노벨상을 포함해 물리학 또는 화학 분야에서 약 45개의 노벨상이 뒤따르게 됐다.
출처: Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG) 독일 물리학회

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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