Vor genau 100 Jahren – in der Nacht vom 7. auf den 8. Februar 1922 – gelang zwei deutschen Physikern ein bahnbrechender Nachweis. Erstmals konnten Otto Stern und Walther Gerlach belegen, dass die Drehimpulse von Atomen keine beliebigen Richtungen einnehmen, sondern nur diskrete, klar abgrenzbare Ausrichtungen haben können. Diese der klassischen Physik widersprechende Richtungsquantelung ist eine fundamentale Eigenheit von Quantensystemen und bildet bis heute die Basis der modernen Quantenphysik.
Der Eigendrehimpuls von Elektronen – ihr Spin – ist eine fundamentale Eigenschaft dieser Elementarteilchen und prägt in vieler Hinsicht ihr Verhalten. Die Ausrichtung dieser Spins und ihr „Umklappen“ unter dem Einfluss elektrischer oder magnetischer Felder spielt zudem eine wichtige Rolle für Anwendungen von der Kernspin-Tomografie über Laser bis zum Quantencomputer.
Doch was es mit dem Spin auf sich hat und wie er sich verhält, war bis vor 100 Jahren weitgehend unbekannt. Zwar legte das 1916 von den Physikern Niels Bohr und Arnold Sommerfeld vorgestellte Atommodell bereits nahe, dass der Drehimpuls von Atomen quantisiert sein muss. Ihrer Theorie zufolge konnte dieser Spin nicht nahtlos in alle Richtungen zeigen, sondern nur bestimmte, diskrete Winkel annehmen. Ein experimenteller Beweis dieser Quantisierung stand aber noch aus.
Silberatome im Magnetfeld
An diesem Punkt kommen nun die deutschen Physiker Otto Stern und Walther Gerlach ins Spiel. Bereits 1919 hatte Stern eine Methode entwickelt, um fokussierte Strahlen aus Atomen zu erzeugen. Darauf bauten die beiden Forscher auf, indem sie einen damit erzeugten Strahl von Silberatomen durch ein inhomogenes Magnetfeld auf eine Glasplatte leiteten. Die Silberatome wählten sie deshalb, weil schon zuvor beobachtetet worden war, dass diese sich im Magnetfeld ablenken lassen und daher einen Drehimpuls besitzen mussten.
