Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 65
Текст из файла (страница 65)
В слабых полях эффект Штврка осложняется гавнкой структурой. 3 44. Лэмбовский сдвиг уровней атомных электронов 1. В 3 38 указывалось, что, согласно релятивистской квантовой теории Дирака, энергии водородных и водородоподобных атомов и ионов с одинаковыми квантовыми числами п и у должны точно совиадатьнсзависимо от того, каково значение квантового числа 1. При заданном у число 1 может принимать значения у — 1/2 и у + 1/2 в зависимости от того, как ориентирован спин электрона.
Так, главному квантовому числу п = 2 (нижний терм водородной серии Бэльмера) соответствуют тРи УРовнЯ 2внг, 2РПз и 2Рзуг. Два пеРвых УРовнЯ по теоРии ДиРака должны совпадать, так как они имеют одно и то же квантовое число у = 1/2. Действительно ли совпадают уровни 2вг~з и 2ргуг этот вопрос пытались решить методами оптической спектроскопии, изучая тонкую структуру водородной линии На, возникающую при переходах с уровней с главным квантовым числом п = 3 на уровни с и = 2. Однако результаты получались противоречивыми. Одни исследователи находили полное согласие наблюдаемой тонкой структуры с теорией Дирака, тогда как другие приходили к результату, что уровни 2вп~э и 2рз~э смещены относительно друг друга приблизительно на величину порядка 0,03 см ' или около 1000 Гц, Эта величина примерно в 10 раз меньше расстояния между указанными уровнями и лежащим выше уровнем 2рэуз.
Трудность исследования тонкой структуры состояла в исключительной близости спектральных линий, обладавших довольно большой шириной. Наблюдавшееся небольшое несовпадение уровней 264 Дальнейичее построение квантовой механики и спектры (Гл, 'ч' 2зчд и 2рг~г лежало в пределах экспериментальных ошибок. Вопрос был решен в 1947 г. Лэмбом (р. 1913) и Ризерфордом (р. 1912) методами радиоспектроскопии. Ожидаемые смещения уровней 1000 Гц лежат в области сверхвысоких час го г (СВЧ), где можно воспользоваться методами радиоспектроскопии, а последние позволяют обеспечить точность измерений до 1 Гц.
2. Идея опыта Лэмба и Ризерфорда основана на том, что возбужденный уровень 2рч~г является нестабильным, а возбужденный уровень 2з,~г — мечвсчвбильным. Время жизни на уровне 2зч~г примерно в 10" раз больше, чем на уровне 2р,7г. Действительно, радиационный переход с уровня 2р,~г на невозбужденный уровень 1зч~г с испусканием однш о фотона разрешен правилом отбора Ы = х1.
Переход же с уровня 2з, ~г на уровень 1зч~г запрещен, поскольку при этом Ы = О. Такой переход возможен только с испусканием двух фогаонов, а потому он совершается примерно в 10" раз медленнее, чем переход 2рч~г — > 1з,~г. По сравнению с переходом 2зч~г — г 1зч~г переход 2рч7г э 1зчуг про~сходит примерно в 10" раз быстрее, т. е, практически мгновенно. В опычах Лэмба и Ризерфорда молекулы водорода диссоциировались под действием высокой температуры в печи Ь (рис.
84). В результате получался пучок атомов водорода в основном состоянии 1зч~г, направлявшийся на металлическую пластинку (мишень) Р, соединенную с гальванометром. Поскольку атомы пучка не были возбуждены, онн не могли передавать энергию злектро- Ы нам мишени Р.
Вырывания электронов из мишени не происходило, и гальванометр не Р обнаруживал электрического тока. Но часть атомов (примерно одну стомиллионную) можно было перевести в возбужденные состояния 2зч~г и 2рг~г, заставив пучок атомов пересекать элекгронный пучок Э. Возбуждение атомов производится ударами электронов, так что праРис.
84 вила отбора при излучении не действуют. Энергия возбуждения составляет 10,2 эВ. Атомы в состоянии 2рчуг на мишень Р не попадают, так как они практически мгновенно переходят в основное состояние 1зч~г. На мишень из возбужденных атомов могут попасть только атомы в состоянии 2зч~г. Энергию возбуждения они при столкновениях передают электронам мишени Р, вырывая последние из мишени. Гальванометр начинает показывать ток, по величине которого можно судить о числе атомов в метастабильном состоянии 2зч~г, попадающих на мишень. Если теперь на пути пучка атомов водорода включить циклически меняющееся магнитное поле надлежащей частоты, то в случае несовпадения уровней 2зчуг и 2рч7г начнутся вынужденные переходы между ними (см.
8 42, п. 2). Они будут происходить с максимальной скоростью Лэмбавский сдвиг уровней атомных электронов 265 при резонансе, когда частота внешнего магнитного поля будет соответствовать разности энергий между рассматриваемыми уровнями. Перейдя из состояния 2г,7г в состояние 2р,7г, атом почти мгновенно возвращается в невозбужденное состояние 1гл7г. Поэтому число возбужденных атомов в состоянии 2рл7г, попадающих на мишень, начинает убывать. Вместе с тем начинает убывагь и ток через ~вльванометр. По минимуму тока можно определить резонансную частоту поля, а с ней и Разность УРовней 2гл7г — 2Р,7г ) . Опыты Лэмба и Ризерфорда доказали, что уровни 2гл7г и 2рл7г не совпадают между собой. Разность между ними по частотам составляет для водорода 1057,90 х 0,06 МГц. Эта разность (как и вообще разность между уровнями тонкой структуры с одинаковыми тл и у, но различными 1) назыиается лэмбовским сдвигом.
Взаимное расположение УРовней 2гл7г, 2Рл7г и 2Рг7г с Указанием РасстоЯний междУ ними для водорода приведено на рис. 85. Лэмбовский сдвиг очень мал он примерно в 10 раз меньше расстояния между УРовнЯми тонкой стРУктУРы 2Рг7г и 2гл7г. Тем не менее зто очень важное явление, теоретически истолкованное в квантовой электродинамике. Последняя дает для лэмбовского сдвига 00ю МГц в случае водорода 1057,91 х 0,01 МГц,что находится в превосходном согласии с экспериментальным значением, приведенным выше. Сголь же превосходное согласие получается для дейте- 1067,00 Мгц рия и однократно ионизованных атомов гелия.
3. Замегим, что лэмбовский сдвиг позволяет судить о точности, с которой оправдывается Рис. 6а закон Кулона на расстояниях порядка атомных (10 г см). Предположим, что истинный закон имеет вид г) 1/г~"'. Предположим далее, что Ц = 10 э. Тогда вычисления привели бы к изменению лэмбовского сдвига 2г,7г — 2р~7г на величину, ббльшую существующей ошибки измерения.
На основании этого можно заключить, что на атомных расстояниях Ц не может быть больше 10 (ср. т. 111, з 6, и. 4). На самом деле отступления от закона Кулона при взаимодействии электрона с ядром начинаются тогда, когда включаются ядерные силы. Для случая же, когда у взаимодействующих частиц ядерные взаимодействия отсутствуют (электроны и позитроны), закон Кулона в настоящее время проверен на ускорителях со встречными пучками до расстояний 10 ~а см. 2Рл~г ) Уровень 2рлгг оказался лежащим ниже уровня 2глгг.
Поэтому возможны пеРеходы 2гл7г — л 2Рл7г и в отсУтствие внешнего пслЯ. Однако так как Расщепление мало, а вероятность перехода пропорциональна кубу расстояния между уровнями, то эта вероятность крайне мала (соответствуюьцее время жизни — - порядка нескольких лет). Поэтому указанный переход можно не принимать во внилшние. 266 Дальиейи»ее построение кваюповой механики и спгктпры ) Гл. Н 8 45. Физический вакуум и объяснение лэмбовского сдвига 1. Лэмбовский сдвиг был объяснен и рассчитан Ьете (р. 1908) в квантовой электродинамике.
Поскольку последняя нами не излагаласгч в нашем курсе можно дать только качественное представление о теории лэмбовского сдвига. Предварительно необходимо остановиться на вопросе о ф» зичгскам вакууме и виртуальных частицах — важнейших понятиях квантовой теории поля. Согласно квантовой теории поля вакуум не есть абсолютная «пустота», в которой ничего нег. Вакууму присущи многие физические свойства, и он может находиться в различных физических состояниях. Поэтому-то он и получил почетное название «физического вакуума». В отличие от гипотетического эфира Х1Х века, которому и риписывались механические свойства, принципиально не отличающиеся от механических свойств обычных материальных сред, современная физика пытается устанавливать свойства физического вакуума только на основе твердо установленных экспериментальных фактов и проверенных опытом физических теорий.
Никаких механических свойств физическому вакууму не приписывается. Строго говоря, следует различать не один вакуум, а несколько, в зависимости от того, с какими частицами и полями он связан. 'Гак, электромагнитное поле, или поле фогонов, может отдавать свою энергию квантами величиной Ьр. При каждой такой отдаче число фотонов уменьшается на единицу. В результате последовательности таких процессов в конце концов возникает состояние, в котором число квантов в системс равно нулю. Однако, в отличие от классических представлений, электромагнитное поле при этом не исчезает, а иере- ходит в состояние с наименьшей энергией, отнять которую от поля уже нельзя. Это заключение является следствием существования нулевой энергии, т.е. в конце концов принципа неопределенностей.
Состояние электромагнитного поля с наименьшей возможнои энергией, в котором фотонов нет, называется вакуумным состоянием электромагнитного поля или 9»аплот*ь м вакуумом. Электромагнитное поле в вакуумном состоянии не может быть поставщиком энергии, но из этого не следует, чго оно вообще никак не может проявить себя.
Оно может быть причиной различных наблюдаемых физических явлений, как об этом уже упоминалось выше и подробнее будет сказано дальше. Аналогично и для других частиц вводится представление о вакууме как о низшем энергетическом состоянии поля соответствующих частиц. Так, различают электронно-позитронный вакуум, где такими частицами являются электрон и позитрон, отличающиеся друг от друга только знаками электрических зарядов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
