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氯原子能够在有机化合物中一个个地取代氢原子，这使柏济力阿斯理论暂时
受到冷遇（但却使利伯格受到柏济力阿斯的长期冷遇）。如果氢是带正电的，
在另一种化合物中取代它位置的任何元素的原子，按柏济力阿斯理论，应该
也是带正电荷，因为它需要和组成部分所带的负电荷保持平衡。氯能够取代
许多碳氢化合中的氢，这一事实看起来与柏济力阿斯理论是直接抵触的。
最后，还必须提一提，柏济力阿斯所编写的化学年鉴总结评述了整个欧
洲在27年中化学的进展，对后来化学发展和化学工作者产生了广泛的影响。
柏济力阿斯的方法是依靠测量的精确性，有了这种精确性，他才能够推
断出化合物中原子量的比例关系，但他也能利用更直接的方法来检验某些元
素的原子量。后来杜龙和佩蒂特改进了这种检验技术。他们在考察道尔顿关
于所有气体的原子热容量与原子大小有关的想法时，发现按这种假说应得的
结果与实际结果相差很大。在此工作过程中他们发现了一个重要关系，就是
原子量和比热的关系 （比热就是单位质量的温度升高一度所需的热量），后
来证明，这种关系只适用于固体物质，成为原子的热定理，并弄明白了每种
物质的原子量和它的比热的乘积是一个常数。他们还在雷格诺尔特的帮助下
检验了柏济力阿斯的结果，发现有些数字应加倍，有些应减半，例如，银和
硫的原子量就有这样的错误。虽然他们的定理的确能在一定程度上直接检验
柏济力阿斯的结果，但遗憾的是也有例外，并不能作为完全可靠的指南。随
着化学知识的增长原子和分子的区别明确了，加上测量技术的进步，在19
世纪弄清了绝大多数异常的问题，但为什么赢得的原子量不完全是整数？还
有待进一步解释。
1886年，克鲁克斯第一次提出了某些元素可能是由更基本物质组成的混
合物，这些更基本物质的原子质量，如普劳特提出的那样是和氧原子质量成
整数倍数的。但这种想法一直到阿斯登发明摄像仪才被证明。阿斯登发展了
汤姆生研究电子物理特性的电磁场设备，使其能够分离与电荷相同但质量不
同的原子。以前这样的原子，例如说氖原子，都认为是同样的原子。产生紊
乱的原因就在于原子的化学性能主要取决于它们的电子，而几乎不取决于它
们的质量。偶数原子，即具有偶数电子的原子元素倾向形成两种同位素，每
种同位素的原子量都只是接近整数。柏济力阿斯仔细计算出的原子量是这些
同位素的混合原子量。自然界中所发现的各种元素是由不同比例的同位素所
组成的。这就是为什么像柏济力阿斯那样精细的人所得出的氯原子量也还是
一个带小数点的数35。47（按现代的氢原子标准计算）。
在上述实验中，我们看到了测量技术的改进过程是根据一种“正确结果”
的想法来进行的。没有怎样才是正确的这种概念，就不可有正确或不正确的
判断。柏济力阿斯只有在原子理论的指导下才能预见和修正他的实验结果。
物质的波动性和第三量子数
1888年，奥托·斯特恩出生在德国的西里西亚省的斯赫劳。他的父亲是
一个买卖兴隆的粮食商兼磨坊主。家境富裕大大有利于斯特恩从事科学事
业。他是家中五个孩中最大的一个。他的中小学教育是在布列斯劳 （现在在
波兰境内）完成的。从1906年开始，他以当时时髦的方式遍游德国各个大学，
同时在弗雷堡、慕尼黑和布列斯劳也做一些工作。他是一个无忧无虑的，无
所牵挂的年轻人，比当时德国的绝大多数大学生都自由。他随心所欲从事一
些与其事业并无直接关系的工作。由于他对热力学感兴趣，促使他回到了布
列斯劳，因为那里有一所重点研究热力学的物理化学学校。就是在那里，于
1912年他获得了物理学博士学位。
在这一年，他开始受到爱因斯坦的影响。他和爱因斯坦一起到布拉格工
作， 1913年又一起迁到苏黎克。斯特恩对爱因斯坦的分子研究比相对论
更感兴趣。1914年，他和马克斯·博恩相识，并开始在一起工作。就在这一
年，他被批准为无薪俸的大学讲师。
第一次世界大战期间，斯特恩虽在军队服役，但仍继续着他的科学研究
工作。他在波兰当了一段时间的气象员，到战争最后一年他被抽调到柏林的
纳恩斯特实验室工作。
战后，他发明了分子束方法，研究自由原子，模拟光线。在这里要介绍
的原子束实验是他证明物质波动性的基础。在古典物理学中，物质被认为纯
粹是微粒。1923年，他搬到汉堡，建立了自己的实验室，更多更新的设备使
他有可能进一步发展他的分子束方法，最后真正证明了物质的波动性。
面临纳粹制度的威胁，斯特恩于1933年离开德国，迁居到美国，在卡内
基研究所工作。他和被希特勒赶出的某些德国人不一样，虽然离开了祖国，
但从未停止过工作。1943年，他荣获诺贝尔奖金。1946年，他在加利弗尼亚
州的伯克莱退休，1969年，在该地逝世。
斯特恩从他自己发明的分子束设备的发现与其埋头所检验的假说问题有
关。这些假说与传统的物理学背道而驰。尼尔斯·博尔在卢瑟福证明原子核
形式的启示下，发展了原子的电子理论。如果原子的正电荷和绝大部分质量
都集中在小小的原子中心或原子核内，那么便可假设原子的其余部分质量和
相应平衡的负电荷就应该分布在原子核的周围。自然就会把电子看成很小的
带电体，并可想象它们像行星一样绕原子核旋转。这种概念提出了一系列从
属概念和问题。如果说电子有轨道，那么这些轨道在空间又是怎样分布的呢？
如果说电子是沿着那些轨道旋转的，那么其角动量，即旋转的原动力又是什
么呢？如果轨道位于一个或几个平面之内，像太阳系的行星轨道一样，那么
这些平面的相互关系又是怎样的呢？最后，如果电子是能够绕自轴旋转的小
小带电体，那么它们自旋的方向又是怎样的呢？
博尔提出，炽热的气体和固体放射出光可以解释为是电子改变了自己的
轨道，并在改变轨道过程中释放出能量，这些能量就等于放射的光的能量。
但是在早些时候就已经知道，白炽的物质所发射出的光似乎并不具有连续的
光谱，而是个别波长的光谱。为解释这种现象，博尔提出，电子只能机械地
具有某几个可能的轨道，这几个可能的轨道数被称为“基本量子”数n=l，2，
3……。量子一词的意思是指当电子从一个固定轨道跃迁到另一轨道时，以一
定波长的光线形式所放射的不连续的一束束能量。
原于现象的进一步研究表明，还应该存在着第二量子数。电子似乎不只
有某一个角动量，而且还以某几个固定速度沿轨道旋转。原子的这一结构特
性就以字母L来代表。L和n可以相互联系起来，因为所允许的角动量只能
以从0到n—L之间的整数来代表。
行星运动的其他主要特性，轨道平面的方向和自转方向，是不是也能从
电子运动中得出呢？能不能弄清楚电子轨道只能在几个固定的平面之内呢？
是不是也能弄明白电子自旋是量子化的呢？为表示这些可能的特性，又提出
了两个量子数，一个是m，代表电子的“空间量子化”，即代表电子轨道平
面和某一固定平面，如外面强加的磁场，所形成的几个允许的角度。第四量
子数s代表电子只能绕某一固定轴顺时针或反时针旋转，后来被称为“上旋”
或“下旋”。看来电子的所有性质用这四个量子数都能代表了。
这些量子数是把电子运动当做粒子运动来考虑，看一看传统力学原理需
要做什么改变，才能符合它们的特性。但是早已表明，电子束遇到障碍时，
表现出了特别奇怪的性状，它们既有波动的干涉效应，也有波动的绕射现象。
这种特性使当时的标准物理学发生另一个根本的改变，寻找某种可能的方
法，把粒子特性和波动特性综合起来。德布罗格利提出，传统物理学中两个
单独的，毫不相关的特性应该统一起来，使它们可以转换，于是他把波的波
长和粒子的质量m，速度v，用以下公式联系起来了。
λ=h／mv
此处，h—普兰克常数。这个关系式是不是不仅适用于电子，而且也适用
于原子、炮弹、行星等等而普遍成立呢？很明显，斯特恩分子束可能是检验
这种想法的一种好方法。如果一束分子能够产生绕射现象，那么德布罗格利
原理就将具有更大的意义，而成为一个普遍的物理学定理。所以分子束被用
来检验这种想法。
从物理学发展的前后关系中可以看出，斯特恩实验所具有的重大意义，
但是还不止此，它还说明实验研究中的另一个有趣问题，就是某些技术设备
具有提供一系列问题的巨大能力，而在发明这种设备的时候，往往没有想到
它会具有这样的能力。
斯特恩—格罗克设备主要由三个可以拆换的分设备组成：一个是获取等
速分子 （或原子）束设备，另一个是产生陡变磁场设备，第三个是用金属晶
体作成的格棚绕射靶，如果德布罗格利所决定的特性关系是正确的话，原子
束波就会发生绕射。
为获取适当的原子束，斯特恩及他的助手格罗克利用一个小坩埚，装上
相应的样品，进行高温加热。坩埚开有一小缝通真空室，在高温推动下，样
品物质的原子从缝中逸出就形成原子束，不过其中的原子具有不同的能量或
速度。为获取等速的原子，阻止其他速度的原子，他们采用了费泽奥测光速
的办法。问题在于原子的速度很高。如果两个槽轮装配在同一轴上，让它们
各自向相反的方向转动，那么就只有那些正好在一个槽取代另一个槽的时间
内越过两轮之间距离的原子才能顺利通过。这样通过的原子就具有大致相等
的速度。
他们的智慧也表现在他们发明的第二个设备，即高强度磁场设备中。因
为原子束通过磁场很快，为了产生和辨别出通过时有什么效应，例如说，由
于空间量子化的神秘特性而使原子束分裂，磁场必须强而集中。为此他们把
一个极做成像刀刃一样，另一极做成尖槽形，让原子束沿着这样狭窄的缝隙
通过，就能产生最大效应。
他们用以探测原子束绕射的设备，没有新的特殊性，使用的是埃尔萨塞
发明的电子绕射基本技术。这种技术由戴维森和杰默在1927年进行了改进，
所以当斯特恩在1929年与斯特曼合作研究原子绕射问题时，就直接借用了这
种技术。他们用锂晶作为绕射靶，用一个小室收集绕射的氦原子，绕射原子
的数量通过测定小室的瞬时压力变化来确定。
所有这些方法一旦被想出来，设备也建立起来，实验本身就非常简单了。
这反映了实验家的聪明才智。因为运动的电荷会产生磁场，而轨道电子是一
种电荷，并且根据原子理论它们在不断运动着，所以它们应该产生各自的磁
场。如果每个原子的所有电子的轨道仅在量子理论可能允许的一个平面内，
那么每个原子的磁场就与该平面相关。于是，当有一个外磁场影响这些原子
时，它们就会随其内磁场的情况对那个外磁场取一定方向。
如果存在如我前面说过的空间量子化，那么我们所想象的原子这样的小
磁体的取向就不会是任意的，例如说“全是顺时针方向”，在斯特恩所研究
的具体情况下，它们相对外磁场取两个不同角度。这和按第三量子数计算结
果相符。每一个取向相对应于一个可能的电子轨道平面。
如果关掉外磁场再看原子束的图像，在照片上就只能看到模糊的单影；
但是如果打开外磁场，原子束就立即分裂成两半：一些原子随其相应的量子
化情况走一条路，另一些原子也随其相应的量子化情况走另一条路。这就是
斯特恩所发现的现象。
物质波动性的证明也很直截了当。埃尔萨塞，戴维森和杰默已经用实验
表明，电子能够绕射。很明显，这证明电子具有某种波动性，但这还只是一
种特例，还不能作为一般物质都具有波动性的证据。毫无疑问，电子在一种
情况下具有物质粒子特性，在另一种情况下，又具有波动特性。但氦原子是
一种比较重的普通物质原子，如果它们也表明出绕射效应，那么德布罗格利
关于物质都具有波动性的定律就更加�