首次證實原子在磁場中取向量子化的實驗，是由O.斯特恩和W.革拉赫在1921年完成的。
實驗裝置如圖所示。使銀原子在電爐O內蒸發，通過狹縫S1、S2形成細束，經過一個抽成真空的不均勻的磁場區域（磁場垂直於射束方向），最後到達照相底片P上。在顯像後的底片上出現瞭兩條黑斑，表示銀原原子在經過不均勻磁場區域時分成瞭兩束。
根據實驗中的爐溫、磁極長度、橫向不均勻磁場的梯度和原子束偏離中心的位移，可以計算出原子磁矩在磁場方向上分量的大小。當時測得銀、銅、金和堿金屬的原子磁矩分量的大小都等於一個玻爾磁子，它們的原子束都隻分裂為對稱的兩束。實驗結果說明，原子在磁場中不能任意取向，證實瞭A.索末菲和P.J.W.德拜在1916年建立的原子的角動量在空間某特殊方向上取向量子化的理論。
直到1925年G.E.烏倫貝克和S.A.古茲密特提出電子自旋的假設，實驗結果才得到瞭全面的解釋。原子磁矩是電子的軌道磁矩和自旋磁矩的和（原子核磁矩很小，暫可忽略），原子磁矩在磁場方向上的分量μz隻能取以下數值
μz=-MgμB，M=J，J-1，…，-J，
式中M稱為磁量子數，J為總角動量量子數，μB為玻爾磁子， g為朗德因子 (見原子磁矩)。即原子磁矩在磁場中隻能取 2J+1個分立數值。銀原子的基態是
所以實驗中在底片上出現兩條黑斑。
斯特恩－革拉赫實驗是原子物理和量子力學的基礎實驗之一；它還提供瞭測量原子磁矩的一種方法，並為原子束和分子束實驗技術奠定瞭基礎。