к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Лэмбовский сдвиг уровней

Лэмбовский сдвиг уровней - смещение уровней энергии связанных состояний электрона во внеш. поле, обусловленное радиационными поправками. Наиб. интерес (в отношении сравнения теории с экспериментом) представляют радиац. поправки к спектру атома водорода и водородоподобных ионов.

Ур-ние Дирака для электрона в кулоновском поле точечного ядра предсказывает вырождение уровней энергии связанных состояний, обладающих одними и теми же главным квантовым числом п и квантовым числом полного момента j, но разными значениями квантового числа орбитального момента2557-7.jpg Так, например, состояния 2557-8.jpg и 2557-9.jpg должны иметь одну и ту же энергию.

Эксперим. указания на несовпадение уровней энергии и атома водорода появились в 1934- 39 в2557-10.jpg результате 2557-11.jpgтщательных спектроскопич. исследований линий серии Бальмера. Было обнаружено, что величина тонкого расщепления (см. Тонкая структура)меньше, чем это следовало из теории Дирака. Такое несовпадение могло быть объяснено тем, что уровень расположен выше уровня 2557-12.jpg приблизительно2557-13.jpg на 1000 МГц. Однако вследствие доплеров-ского уширения спектральных линий точность экспериментов была невелика, что вызвало сомнения в реальности обнаруженного сдвига этих уровней.

В 1947 У. Э. Лэмб (W. Е. Lamb) и Р. Ризерфорд (R. Retherford) посредством разработанного ими радиоспектроскопич. метода однозначно показали, что уровень 2S1/2 действительно смещён относительно уровня2557-14.jpg на 1000 МГц [1]. Это открытие (Нобелевская премия, 1955), а также теоретич. соображения, высказанные X. Бете (Н. Bethe), послужили толчком для всего последующего развития квантовой электродинамики (КЭД), к-рая и дала исчерпывающее объяснение природы Л. с. Физической его причиной являются квантовые флуктуации вакуума эл--магн. и электрон-позитронного полей, к-рые меняют потеиц. энергию V(r)= -Ze2/r взаимодействия электрона с ядром (Ze - заряд ядра, г - расстояние от ядра).

Качественно понять природу и оценить порядок величины лэмбовского смещения можно из след. соображений. Нулевые колебания эл--магн. поля напряжённости - соответственно волновой 2557-17.jpg вектор и поляризация фотона частоты 2557-18.jpg) вызывают "дрожание" электрона со ср. значением квадрата амплитуды

2557-19.jpg

Здесь т - масса электрона, 2557-20.jpg- постоянная тонкой структуры (2557-21.jpg ). Большой логарифмич. множитель (для не слишком тяжёлых элементов параметр 2557-22.jpg ) возникает в результате интегрирования по спектру нулевых колебаний в пределах от характерной энергии атома 2557-23.jpgдо энергии покоя электрона тс2. "Дрожание" электрона приводит к положит. добавке к потенциалу взаимодействия2557-24.jpg и, соответственно, к сдвигу атомного уровня вверх на величину

2557-25.jpg

пропорциональную вероятности w нахождения электрона в точке r=0, к-рая максимальна для S-состояния из-за отсутствия центробежного потенц. барьера ((. . .) означают квантовое усреднение по состоянию электрона). Тогда для состояний с l=0

2557-26.jpg

для состояний с 2557-28.jpg смещение оказывается существенно меньше. Относит. величина радиац. сдвига 2557-29.jpg составляет 10-6. Приведённая оценка соответствует осн. вкладу в Л. с., возникающему от собственно энергетич. Фейнмана диаграммы, представленной на рис. 1, а. Сплошная жирная линия изображает электрон в поле ядра, пунктирная - процесс виртуального испускания и поглощения фотона связанным электроном. Эта диаграмма содержит, в частности, вклад от аномального магнитного момента электрона.

2557-27.jpg

Другим радиационным эффектом является поляризация вакуума вокруг точечного заряда ядра из-за виртуального рождения и аннигиляции электрон-позитронных пар (рис. 1, б). Поляризация вакуума искажает кулоновский потенциал, увеличивая эффективный заряд ядра на расстояниях порядка комптоновской длины волны электрона 2557-30.jpg , что приводит к отрицат. поправке к энергии уровня. В водородоподобных атомах радиус боровской орбиты электрона 2557-31.jpg значительно больше расстояния 2557-32.jpg Поэтому указанная поправка оказывается малой по сравнению с вкладом диаграммы 1, а, так что результирующий сдвиг уровня положителен. Напротив, в мюонных атомах Л. с. определяется в основном эффектом поляризации электрон-позитронного вакуума, поскольку из-за большой массы мюона радиус его боровской орбиты приблизительно в 200 раз меньше r0. В результате, напр., в мюонном атоме водорода уровень2557-33.jpg лежит ниже уровня2557-34.jpg

В низшем порядке по 2557-35.jpgи 2557-36.jpg Л. с. атомных уровней равны:

2557-37.jpg

2557-38.jpg

Логарифм Бете2557-39.jpgне зависит от Z и находится численно. Напр., для состояний с n=2 L20 = - 2,812, L21=0,030. Для разности энергий 2S1/2 - и 2Р1/2 -состояний атома водорода получаем2557-40.jpg -2557-41.jpg что соответствует частоте 1050 МГц.

Последоват. метод вычисления поправок к уровням энергии основан на использовании точной релятивистской кулоновской функции Грина для электронных линий в диаграммах типа 1, а и 1, б. Однако из-за отсутствия замкнутого выражения для функции Грина такой подход связан с серьёзными вычислит. трудностями и полностью не реализован.

В еовр. теории Л. с. учтены ведущие поправки высших порядков по константе связи 2557-42.jpg, поправки второго порядка по 2557-43.jpg в собств. энергии, аномальном магн. моменте и поляризации вакуума, а также эффекты, связанные с конечностью массы и радиуса протона.

В табл. 1 приведены наиб. известные теоретич. значения Л. с. в атоме водорода, полученные Г. В. Эриксоном [2] и П. И. Мором [3]. Осн. источником расхождения их результатов, к-рое составляет 0,045 МГц и выходит за пределы погрешностей, является разный метод учёта эффектов связности высших порядков в однофотонной собственно энергетич. диаграмме, однако до конца причина расхождения не выяснена.

Первое точное измерение 2557-44.jpgбыло выполнено С. Трибвассером, Э. С. Дейхоффом и У. Э. Лэмбом в 1950-53 радиоспектроскопич. методом [4], аналогичным первоначальному методу Лэмба-Ризерфорда. Значит. прогресс в повышении точности измерения 2557-45.jpg был достигнут при. использовании пучков быстрых атомов водорода (с энергией ~20-100 кэВ) [5, 6], но и в этом случае точность не превышала ~0,01 МГц. Это объясняется в первую очередь тем, что во всех рассмотренных методах процедура измерения состояла в получении резонансной кривой перехода2557-46.jpg

В работах [7, 8J измерение 2557-47.jpgбыло выполнено при помощи двойного атомного интерферометра. Процедура измерения состояла в определении выхода -атомов в зависимости от приращения расстояния (L)между входной и выходной системами интерферометра при пост. значениях напряжённостей локализованных в них электрич. полей. Как и в др. экспериментах с быстрыми атомами, измерялся не сам Л. с., а частота v перехода (2557-51.jpg, F=0) - (2557-52.jpg, F=1)между компонентами сверхтонкой структуры 2557-53.jpg - и2557-54.jpg-уровней (рис. 2), где F - квантовое число суммарного момента ядра и электрона. (Компоненты 2557-55.jpg-состояния с F=l предварительно удалялись из пучка с помощью радиочастотных резонансных полей.) Т. о.,2557-56.jpg2557-57.jpg; 2557-58.jpg и 2557-59.jpg, связанные со сверхтонким расщеплением уровней 2S1/2 и 2Р1/2, приводят к добавке2557-60.jpg147,958 МГц.

2557-48.jpg

Рис. 2. Сверхтонкое расщепление 2557-49.jpg и 2557-50.jpg-уровней атома водорода (масштаб не выдержан).


Интерференц. эффект описывается функцией

2557-61.jpg

где v- скорость 2S1/2 -атомов. Скорость v измерялась пo распадной кривой атома в 2Р-состоянии:2557-62.jpg2557-63.jpg и выражалась через константу распада 2557-64.jpg, к-рая была рассчитана с точностью ~10-6. Величина v определялась путём подгонки теоретич. кривой к эксперим. точкам. Подгонка производилась в широком диапазоне изменения фазы косинуса, к-рый совершал пять осцилляции. В этом заключалось принципиальное отличие метода атомного интерферометра от др. методов (где обрабатывалась резонансная линия с одним максимумом), позволившее заметно повысить точность определения v (табл. 1).

Табл. 1. -Теоретические и экспериментальные значения лэмбовского сдвига в атоме водорода (в МГц)

Теория

Эксперимент

1057,9100 (100) [2]

1057,8620 (200) [5]

1057,8640 (140) [3]

1057,8450 (90) [6]

1057,8514 (19) [7,8]

Интерес к прецизионному расчёту и измерению Л. с. в атоме водорода связан не только с неустранённым пока расхождением между наиб. точными известными теоретич. значениями 2557-65.jpg а также между теорией и экспериментом, но и с возможностью извлечения информации о структуре и свойствах поправок, не связанных непосредственно с КЭД. В отличие от аномального магн. момента, Л. с. характеризует свойства связанного с ядром электрона, т. е. учитывает не только эффекты КЭД, но и эффекты, обусловленные структурой ядра. Для аномального магн. момента поправки, не зависящие от КЭД, лежат далеко за пределами точности измерений. Для Л. с. поправка, обусловленная конечным размером протона,

2557-66.jpg

(где2557-67.jpg - ср. квадрат радиуса протона), находится в пределах точности совр. эксперимента. Для2557-68.jpg =0,862 Ф поправка составляет 0,146 МГц. Достигнутая в эксперименте по определению Л. с. методом атомного интерферометра точность ~2 кГц позволяет в принципе определить радиус протона с погрешностью 0,007 Ф, к-рая почти в два раза меньше, чем в экспериментах по упругому е - р-рассеянию. Эксперим. значения Л. с. для перехода в нек-рых водородоподобных атомах приведены 2557-69.jpg в табл. 2.

Т а б л. 2. - Лэмбовский сдвиг в водородоподобных атомах (в МГц)

d 1059, 282 (64)

О7+ 2215, 6 (75)* 103

Не+ 14046,2 (12)

С116+ 31, 19 (22)* 106

Не+ (n = 3) 4183. 17 (54)

Аr17+ 38, 0 (6)* 106

Li++ 62765 (21)

Литература по Лэмбовскому сдвигу уровней

  1. Лэмб У. Е., Ризерфорд Р. К., Тонкая структура водородного атома, пер. с англ., "УФН", 1951, т. 45 с. 553;
  2. Erickson G. W., Improved Lamb-shift calculation for all values of Z, "Phys. Rev. Lett.", 1971, v. 27, p 780
  3. Mohr P. J., Lamb shift in a strong Coulomb potential "Phys. Rev. Lett.", 1975, v. 34, p. 1050;
  4. Triebwasser S'Dауhоff E. S., Lamb W. E., Fine sructure of the hydrogen atom, "Phys. Rev.", 1953, v. 9, p. 98;
  5. Andrews D. A., Newton G., Radio-frequency atomic beam measurement of the (22Si1/2, F = 0) - (2"Р1/2, F=l) Lamb shift interval in hydrogen, "Phys. Rev. Lett.", 1976, v. 37, p. 1254;
  6. Lundeen S. R., Pipkin F. M., Measurement of the Lamb shift in hydrogen, n=2, "Phys. Rev. Lett.", 1981, v. 46, p. 232;
  7. Соколов Ю. Л., Яковлев В. П., Измерение лэмбовского сдвига в атоме водорода (n=2), "ЖЭТФ", 1982, т. 83 с. 15;
  8. Пальчиков В. Г., Соколов Ю. Л., Яковлев В. П., Время жизни 2 р-состояния и лэмбовский сдвиг в атоме водорода, "Письма в ЖЭТФ", 1983, т. 38, с. 349.

Ю. Л. Соколов. В. П. Яковлев

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

Знаете ли Вы, что cогласно релятивистской мифологии "гравитационное линзирование - это физическое явление, связанное с отклонением лучей света в поле тяжести. Гравитационные линзы обясняют образование кратных изображений одного и того же астрономического объекта (квазаров, галактик), когда на луч зрения от источника к наблюдателю попадает другая галактика или скопление галактик (собственно линза). В некоторых изображениях происходит усиление яркости оригинального источника." (Релятивисты приводят примеры искажения изображений галактик в качестве подтверждения ОТО - воздействия гравитации на свет)
При этом они забывают, что поле действия эффекта ОТО - это малые углы вблизи поверхности звезд, где на самом деле этот эффект не наблюдается (затменные двойные). Разница в шкалах явлений реального искажения изображений галактик и мифического отклонения вблизи звезд - 1011 раз. Приведу аналогию. Можно говорить о воздействии поверхностного натяжения на форму капель, но нельзя серьезно говорить о силе поверхностного натяжения, как о причине океанских приливов.
Эфирная физика находит ответ на наблюдаемое явление искажения изображений галактик. Это результат нагрева эфира вблизи галактик, изменения его плотности и, следовательно, изменения скорости света на галактических расстояниях вследствие преломления света в эфире различной плотности. Подтверждением термической природы искажения изображений галактик является прямая связь этого искажения с радиоизлучением пространства, то есть эфира в этом месте, смещение спектра CMB (космическое микроволновое излучение) в данном направлении в высокочастотную область. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

Bourabai Research Institution home page

Боровское исследовательское учреждение - Bourabai Research Bourabai Research Institution