Iniciaremos o estudo do sistema de dois níveis com a análise da experiência de Stern-Gerlach, utilizando como referência a discussão apresentada por Gomes e Pietrocola (2011). Proposta por Stern em 1921, e realizada em parceria com Gerlach, a experiência tinha como objetivo determinar se o momento angular dos átomos era quantizado (conforme a hipótese de Bohr) ou não. O procedimento experimental consistia em lançar um feixe de átomos em uma direção perpendicular ao gradiente de variação de um campo magnético não uniforme produzido por um imã. Após passarem pela região de campo magnético, os átomos se depositariam em uma placa coletora.
Classicamente (caso a partícula tivesse momento angular não nulo) esperava-se que ocorresse uma deflexão na direção do gradiente de variação (normalmente a direção “”) formando uma distribuição contínua de partículas ao longo da placa coletora.
Exercício III.I: Utilizando a referência (GRECA; HERSCOVITZ, 2002), analise classicamente o comportamento esperado para o feixe de átomos ao passar pelo experimento de Stern-Gerlach.
Porém, ao se fazer a experiência não foi esse o resultado encontrado. Observou-se que o feixe de partículas inicial
se dividia em dois ao passar pelo ímã, sendo portanto detectado na placa coletora somente em duas regiões. Na época, Stern e Gerlach acreditaram que essa seria a comprovação de que o momento angular das partículas fosse discretizado, segundo havia previsto Bohr.
Só existia um problema, que na época não era conhecido. O átomo utilizado na experiência foi o de prata, que possui o elétron de valência na camada 5 s . Seus números quânticos são, portanto:
. Ou seja, o momento angular orbital do átomo de prata é nulo (por quê?). De fato, quem é o responsável por esse comportamento é uma outra propriedade do átomo (ou de seu elétron de valência), o spin. Embora não fosse esse o objetivo de Stern ao propor a experiência, o que de fato os dois cientistas mediram foi o alinhamento do spin do elétron de valência com o campo magnético do ímã. Vale salientar que o conceito de spin e seu uso na interpretação da experiência de Stern-Gerlach só aconteceram alguns anos depois da apresentação dos resultados (GOMES; PIETROCOLA, 2011 ).