Zeemani efekt ja Sterni-Gerlachi katse

Magnetvälja puudumisel on olekutel, mis jagavad sama orbitaalkvantarvu, kuid erinevad magnetkvantarvu poolest, kõigil sama energia — aatomi keskkonnas ei ole mitte midagi, mis eristaks "sinnapoole suunatud" olekut "teisele poole suunatud" olekust. Lülita sisse magnetväli, ja see sümmeetria katkeb: iga magnetkvantarv vastab nüüd veidi erinevale energiale, kuna aatomi magnetmoment mõjub väljaga erinevalt olenevalt oma orientatsioonist. Üksik spektrijoon, mis varem tulenes ühest siirdest, lõheneb nüüd mitmeks omavahel lähedaseks jooneks — üks igale lubatud magnetkvantarvu muutusele.

Sterni-Gerlachi katse läks veelgi kaugemale ja küsis täpsema küsimuse: on see lõhenemine pidev, nagu klassikaline kompassinõel, mis seab end suvalise nurga alla, või kvanditud väikeseks arvuks diskreetseteks väärtusteks? Hõbeaatomid, mis valiti seetõttu, et nende põhiseisundil on orbitaalne koguimpulsimoment null, saadeti läbi tugevasti mittehomogeense magnetvälja detektoriekraanile. Kui magnetmomendid võiksid suunduda ükskõik kuhu, oleks kimp laotunud üheks laiaks vööndiks. Selle asemel lõhenes see selgelt kaheks laiguks.

Seda tulemust ei saanud üldse seletada orbitaalliikumisega, kuna aatomitel see põhiseisundis puudus. Mida see paljastas, oli spinn: iga elektroni kaasasündinud impulsimoment, millel on täpselt kaks võimalikku orientatsiooni ükskõik millise mõõtmistelje suhtes, täiesti sõltumatult sellest, kuidas elektron ruumis liigub.