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兰姆位移

氢能级精细结构 - 对玻尔模型的相对论修正

物理学中,以威利斯·兰姆(Willis Lamb)为名的兰姆位移Lamb shift)是氢原子两个能级()间的微小能量差。根据狄拉克的量子理论量子数及量子数相同但量子数不同的氢原子能态应该是简并态,也就是不会有能量差值。:332-333

实验成果

于1947年,兰姆以及罗伯特·雷瑟福英语Robert Retherford(Robert Retherford)进行了一项实验,利用微波技术来刺激氢原子能级之间的射频跃迁(radio-frequency transitions)。利用比光学跃迁(optical transitions)还要低的频率,使得多普勒增宽(Doppler broadening)效应可以被忽略(因为多普勒谱线增宽跟频率呈正比关系)。他们两人发现如此使得能级比能级还高出约1000兆赫(MHz)的能量差。

如此特殊的差异是量子电动力学中的单圈效应英语One-loop Feynman diagram(one-loop effect),可以解释为被原子发射又再吸收的虚光子所造成的影响。在量子电动力学中,电磁场也被量子化,而类似于量子力学中的量子谐振子,其最低能态所具有的能量不会是零。因此存在微小的零点振荡,导致电子会进行快速的振荡运动(参见颤动条目)。电子云因此有些“抹开”("smeared out"),而半径从变为

库仑位势因此被摄动了一些,而两能级的简并性被破坏掉。新的场势可以(利用原子单位)近似为:

兰姆位移本身则可写为

,针对

其中约为13的随着些微变动;而

,针对以及

其中为一个小的数值(< 0.05)。

氢原子谱线中的兰姆位移

于1947年,汉斯·贝特(Hans Bethe)首次对氢原子谱线中的兰姆位移做出解释,并且对导引出量子电动力学的进程建下基础。兰姆位移目前对于精细结构常数α的测量提供了比百万分之一还佳的精确度,使得量子电动力学预测的正确性得到证实。

参见

外部链接


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