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氫能級精細結構 - 對玻爾模型的相對論修正

物理學中,以威利斯·蘭姆(Willis Lamb)為名的蘭姆位移Lamb shift)是氫原子兩個能階()間的微小能量差。根據狄拉克的量子理論量子數及量子數相同但量子數不同的氫原子能態應該是簡併態,也就是不會有能量差值。[1]:332-333

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實驗成果编辑

於1947年,蘭姆以及羅伯特·雷瑟福英语Robert Retherford(Robert Retherford)進行了一項實驗,利用微波技術來刺激氫原子  能階之間的射頻躍遷(radio-frequency transitions)。利用比光學躍遷(optical transitions)還要低的頻率,使得都卜勒增寬(Doppler broadening)效應可以被忽略(因為都卜勒譜線增寬跟頻率呈正比關係)。他們兩人發現如此使得 能階比 能階還高出約1000兆赫(MHz)的能量差。

如此特殊的差異是量子電動力學中的單圈效應英语One-loop Feynman diagram(one-loop effect),可以解釋為被原子發射又再吸收的虛光子所造成的影響。在量子電動力學中,電磁場也被量子化,而類似於量子力學中的量子諧振子,其最低能態所具有的能量不會是零。因此存在微小的零點振盪,導致電子會進行快速的振盪運動(參見顫動條目)。電子雲因此有些「抹開」("smeared out"),而半徑從 變為 

庫侖位勢因此被微擾了一些,而兩能階的簡併性被破壞掉。新的場勢可以(利用原子單位)近似為:

 

蘭姆位移本身則可寫為

 ,針對 

其中約為13的 隨著 些微變動;而

 ,針對 以及 

其中 為一個小的數值(< 0.05)。

氫原子譜線中的蘭姆位移编辑

於1947年,漢斯·貝特(Hans Bethe)首次對氫原子譜線中的蘭姆位移做出解釋,並且對導引出量子電動力學的進程建下基礎。蘭姆位移目前對於精細結構常數α的測量提供了比百萬分之一還佳的精確度,使得量子電動力學預測的正確性得到證實。

參見编辑

參考文獻编辑

  1. ^ Kragh, Helge. Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century Reprint. Princeton University Press. 2002. ISBN 978-0691095523. 

外部連結编辑