蘭姆位移

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物理學中,以威利斯·蘭姆(藍姆)(Willis Lamb)為名的蘭姆位移或譯藍姆位移(Lamb shift)是氫原子介於2s1 / 22p1 / 2兩個量子力學能階間的一個很小能量差值。根據薛丁格狄拉克的量子理論,n量子數及j量子數相同但l量子數不同的氫原子能態應該是簡併態,也就是不會有能量差值。

[编辑] 實驗成果

1947年,蘭姆以及羅伯特·雷瑟福(Robert Retherford)進行了一項實驗,利用微波技術來刺激氫原子2s1 / 22p1 / 2能階之間的射頻躍遷(radio-frequency transitions)。利用比光學躍遷(optical transitions)還要低的頻率,使得都普勒譜線增寬(Doppler broadening)效應可以被忽略(因為都普勒譜線增寬跟頻率呈正比關係)。他們兩人發現如此使得2s1 / 2能階比2p1 / 2能階還高出約1000兆赫(MHz)的能量差。

如此特殊的差異是量子電動力學中的單圈效應(one-loop effect),可以解釋為被原子發射又再吸收的虛光子所造成的影響。在量子電動力學中,電磁場也被量子化,而類似於量子力學中的量子諧振子,其最低能態所具有的能量不會是零。因此存在微小的零點振盪,導致電子會進行快速的振盪運動(參見顫動條目)。電子雲因此有些「抹開」("smeared out"),而半徑從r變為r + δr

庫侖位勢因此被微擾了一些,而兩能階的簡併性被破壞掉。新的場勢可以(利用原子單位)近似為:

\langle E_\mathrm{pot} \rangle=-\frac{Ze^2}{4\pi\epsilon_0}\left\langle\frac{1}{r+\delta r}\right\rangle.

蘭姆位移本身則可寫為

\Delta E_\mathrm{Lamb}=\alpha^5 m_e c^2 \frac{k(n,0)}{4n^3},針對\ell=0\,

其中約為13的k(n,0)隨著n些微變動;而

\Delta E_\mathrm{Lamb}=\alpha^5 m_e c^2 \frac{1}{4n^3}\left[k(n,\ell)\pm \frac{1}{\pi(j+\frac{1}{2})(\ell+\frac{1}{2})}\right],針對\ell\ne 0以及j=\ell\pm\frac{1}{2}

其中k(n,\ell)為一個小的數值(< 0.05)。

[编辑] 氫原子譜線中的蘭姆位移

1947年漢斯·貝特(Hans Bethe)首次對氫原子譜線中的蘭姆位移做出解釋,並且對導引出量子電動力學的進程建下基礎。蘭姆位移目前對於精細結構常數α 的測量提供了比百萬分之一還佳的精確度,使得量子電動力學預測的正確性得到證實。

[编辑] 外部連結

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