Rozdíl v energii elektronových stavů atomu vodíku nepředpovídá Diracova rovnice
Ve fyzice je Lambův posun , pojmenovaný po Willisovi Lambovi , rozdílem v energii mezi dvěma energetickými hladinami 2 S 1/2 a 2 P 1/2 (v termínu symbolický zápis) atomu vodíku, který nebyl předpovězen Diracovou rovnicí , podle nichž by tyto státy měly mít stejnou energii.
Interakce mezi fluktuacemi vakuové energie a elektronem vodíku na těchto různých orbitálech je příčinou Beránkova posunu, jak bylo ukázáno po jeho objevu. Jehněčí posun od té doby hraje významnou roli díky kolísání vakuové energie v teoretické predikci Hawkingova záření z černých děr .
Tento efekt byl poprvé měřen v roce 1947 v Lamb – Retherfordově experimentu na mikrovlnném spektru vodíku a toto měření poskytlo stimul pro teorii renormalizace, aby zvládla divergence. Byl to předzvěst moderní kvantové elektrodynamiky, kterou vyvinuli Julian Schwinger , Richard Feynman , Ernst Stueckelberg , Sin-Itiro Tomonaga a Freeman Dyson . Lamb získal Nobelovu cenu za fyziku v roce 1955 za objevy související s jehněčím posunem.
Důležitost
K Lambovým 65. narozeninám ho Freeman Dyson oslovil takto: „Ty roky, kdy byla Beránkova směna ústředním tématem fyziky, byla zlatými roky pro všechny fyziky mé generace. Byli jste první, kdo viděl tento malý posun, takže nepolapitelný a těžko měřitelný, by objasnil naše myšlení o částicích a polích. “
Derivace
Tato heuristická derivace posunu elektrodynamické úrovně po přístupu Theodora A. Weltona .
Kolísání elektrického a magnetického pole spojené s vakuem QED narušuje elektrický potenciál v důsledku atomového jádra . Tato porucha způsobuje kolísání polohy elektronu , což vysvětluje energetický posun. Rozdíl potenciální energie je dán vztahem
Protože fluktuace jsou izotropní ,
Takže jeden může získat
Klasická pohybová rovnice pro posunutí elektronů ( δr ) k → indukovaná jediným režimem pole vlnového vektoru k → a frekvence ν je
a to platí pouze tehdy, když frekvence ν je větší než vmax 0 na oběžné dráze Bohr, . Elektron není schopen reagovat na fluktuující pole, pokud jsou fluktuace menší než přirozená orbitální frekvence v atomu.
Pro pole oscilující při ν ,
proto
kde je nějaký velký normalizační objem (objem hypotetické „krabice“ obsahující atom vodíku). Sečtením všech
Tento výsledek se liší, když neexistují žádná omezení týkající se integrálu (na velkých i malých frekvencích). Jak bylo uvedeno výše, očekává se, že tato metoda bude platná, pouze pokud nebo ekvivalentně . Platí také pouze pro vlnové délky delší než Comptonova vlnová délka nebo ekvivalentně . Proto je možné zvolit horní a dolní mez integrálu a díky těmto mezím se výsledek sblíží.
-
.
Pro atomový okružní a Coulomb potenciál ,
protože je to známo
Pro p orbitaly nerelativistická vlnová funkce zmizí v počátku, takže nedochází k žádnému energetickému posunu. Ale pro orbitály s existuje určitá konečná hodnota v počátku,
kde je poloměr Bohr je
Proto,
-
.
Nakonec se rozdíl potenciální energie stává:
kde je konstanta jemné struktury . Tento posun je přibližně 500 MHz, v řádu pozorovaného posunu 1057 MHz.
Weltonova heuristická derivace jehněčího posunu je podobná, ale odlišná od výpočtu Darwinova termínu pomocí Zitterbewegung , příspěvku k jemné struktuře, která je nižšího řádu než jehněčí posun.
Jehně – Retherfordův experiment
V roce 1947 provedli Willis Lamb a Robert Retherford experiment využívající mikrovlnné techniky ke stimulaci vysokofrekvenčních přechodů mezi
2 S 1/2 a 2 P 1/2 hladinami vodíku. Použitím nižších frekvencí než u optických přechodů lze Dopplerovo rozšíření zanedbávat (Dopplerovo rozšíření je úměrné frekvenci). Zjištěným energetickým rozdílem u Beránka a Retherforda byl vzestup úrovně 2 S 1/2 nad hladinu 2 P 1/2 asi o 1000 MHz (0,03 cm −1 ) .
Tento konkrétní rozdíl je účinek jedna smyčka z kvantové elektrodynamiky , a mohou být interpretovány jako vlivem virtuálních fotonů , které byly emitovány a znovu absorbovány atomu. V kvantové elektrodynamice je elektromagnetické pole kvantováno a stejně jako harmonický oscilátor v kvantové mechanice není jeho nejnižší stav nula. Existují tedy malé oscilace nulového bodu, které způsobují, že elektron provádí rychlé oscilační pohyby. Elektron je „rozmazaný“ a každá hodnota poloměru se mění z r na r + δr (malá, ale konečná odchylka).
Coulombův potenciál je proto narušen malým množstvím a degenerace dvou energetických úrovní je odstraněna. Nový potenciál lze aproximovat (pomocí atomových jednotek ) následovně:
Samotný Beránkův posun je dán
s k ( n , 0) kolem 13 mírně se měnící s n , a
s log ( k ( n , ℓ)) malé číslo (přibližně -0,05), takže k ( n , ℓ) se blíží jednotě.
Odvození Δ E Beránka viz například:
Ve vodíkovém spektru
V roce 1947 Hans Bethe jako první vysvětlil Lambův posun ve vodíkovém spektru a položil tak základ pro moderní vývoj kvantové elektrodynamiky . Bethe dokázal odvodit Lambův posun implementací myšlenky hromadné renormalizace, která mu umožnila vypočítat pozorovaný energetický posun jako rozdíl mezi posunem vázaného elektronu a posunem volného elektronu. Jehněčí posun v současné době poskytuje měření konstanty jemné struktury α na lepší než jednu část z milionu, což umožňuje přesný test kvantové elektrodynamiky .
Viz také
Reference
Další čtení
externí odkazy