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兰姆位移

王朝百科·作者佚名  2010-07-15
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物理学中,以威利斯·兰姆(蓝姆)(Willis Lamb)为名的兰姆位移[1]或译蓝姆位移(Lamb shift)是氢原子介于2s1 / 2与2p1 / 2两个量子力学能阶间的一个很小能量差值。根据薛定谔及狄拉克的量子理论,n量子数及j量子数相同但l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。

实验成果

于1947年,兰姆以及罗伯特·雷瑟福(Robert Retherford)进行了一项实验,利用微波技术来刺激氢原子2s1 / 2与2p1 / 2能阶之间的射频跃迁(radio-frequency transitions)。利用比光学跃迁(optical transitions)还要低的频率,使得都普勒谱线增宽(Doppler broadening)效应可以被忽略(因为都普勒谱线增宽跟频率呈正比关系)。他们两人发现如此使得2s1 / 2能阶比2p1 / 2能阶还高出约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(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r变为r+ δr。

库仑位势因此被微扰了一些,而两能阶的简并性被破坏掉。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k(n,0)随着n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。

 
 
 
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