蘭姆移位

蘭姆移位

蘭姆移位在1947年,Lamb和Retherford用射頻波譜的方法發現氫原子的2S(1/2)和2P(1/2)能級並不是完美的吻合,而是存在著一個能級差,這個就是著名的蘭姆移位(Lamb shift)。蘭姆本人也因為這次精彩加精密的測量而榮獲1955年諾貝爾物理學獎。

蘭姆移位

正文

根據量子力學計算,氫原子能級中軌道角動量雖不同,只要總角動量和主量子數相同,其能量就相同(在量子力學中稱為簡併)。例如氫原子能級2P1/2和2S1/2是簡併的,3P3/2和3D3/2也是簡併的等等。
實際上,這些能級並不是嚴格簡併,最早(1947)從實驗上測量出2P1/2和2S1/2之間的能量差是W.E.蘭姆和R.C.雷瑟福。正是這一原因,後來人們把這些能級差(移位)稱為蘭姆移位。
蘭姆和雷瑟福用微波共振方法,直接測量了這一能級差的共振頻率蘭姆移位H.A.貝特第一個從理論上計算出這一能級移位。根據貝特的工作,這些移位主要是量子化的電子場與電磁場的高次相互作用引起的,即所謂的輻射修正效應。
電子和μ子-內部結構模型圖電子和μ子-內部結構模型圖
計算電磁輻射修正的理論是量子電動力學重正化理論。儘管這些年來實驗不斷改進,不斷精確(是目前幾個可數的精確實驗之一,已精確到六七位有效數字),理論始終都與實驗非常符合。因此蘭姆移位實驗與另外兩個精確實驗──電子和μ子反常磁矩實驗(見μ子和電子回磁比一起構成了量子電動力學的三大實驗支柱。
目前蘭姆移位的實驗和理論狀況如下:對於2P1/2和2S1/2的移位頻率Δv,最精確的實驗值由三組人給出, 它們分別為 1057.845±0.009MHz,1057.90±0.06MHz 和1057.862±0.020MHz。最新的理論值是曲兩組人給出的,它們不僅考慮了輻射修正,也考慮了原子核大小等效應,它們分別為1057.930±0.010MHz和1057.884±0.013MHz(因為理論計算需要進行大量的數字計算,極其複雜,直到目前為止還沒有能弄清楚兩理論值的差別來源)。

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