Экспериментальная проверка теории тонкой структуры
Боль- шим достижением теории Дирака является объяснение тонкой структуры атомных спектров как проявления релятивистских и спиновых эффектов. Однако более тщательный анализ не дал долного согласия теории и опыта. Предметом специальных 1 1 Мгц — 106 сек, т. е. круговая частота со, выраженная в сек'1, свя- зана с частотой v, выраженной в мегагерцах, соотношением <о«2д: • КУЧ 288 ЧАСТЬ II РЕЛЯТИВИСТСКАЯ КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА исследований явился вопрос об уровне 2sy2 и 2pv2, которые, со- гласно теории Дирака [см. B0.21)], в атоме водорода должны точно совпадать друг с другом. Начиная с 1934 г. спектроско- писты высказывали некоторые сомнения в правильности этого теоретического вывода, однако эти исследования с помощью оптического метода были далеки от совершенства. Полная уве- ренность в правильности экспериментальных данных о сдвиге уровней появилась значительно позднее, после их промера ра- диоспектроскопическим методом. Радиоспектроскопический метод возник и получил бурное развитие только в послевоенные годы в результате технического прогресса в микроволновой радиотехнике К Радиоспектроско- пия, выделившаяся сейчас в особую область физики, дает цен- ные результаты при исследовании ядер, атомов и молекул. Радиоспектроскопические методы находят приложение также в физике твердых и жидких тел и др. В 1947 г. Лэмб и Ризерфорд применили радиоспектроскопи- ческий метод к исследованию положения уровней 2sy2 и 2ру2. ПрИ ЗТОМ ОНИ ВОСПОЛЬЗОВаЛИСЬ ОСОбыМ СВОЙСТВОМ 251/2-СОСТОЯ- ния. Это состояние является метастабильным, т. е. дипольиый переход из него в нижнее состояние lsy2 запрещен правилами отбора, поскольку в этом случае А/ = О2. Переход из метастабильного состояния возможен или с ис- пусканием двух фотонов (вероятность такого перехода умень- шается по сравнению с разрешеннным переходом в 108 раз), или с предварительным переходом на уровни 2р. Лэмб и Ри- зерфорд поставили своей целью исследовать последний способ перехода. Опишем в общих чертах схему их опыта (фиг. 20.2). Пучок атомов в невозбужденном 1si/2-coctohhhh получается в резуль- тате диссоциации молекулярного водорода при высокой тем- пературе (вольфрамовая печь). Бомбардирующий поток элек- тронов возбуждает далее некоторую часть атомов пучка (при- мерно один из ста миллионов) до метастабильного состояния 2sy2. Метастабильные атомы, в противоположность невозбуж- денным, при попадании на металлическую мишень легко ог- 1 Под микроволновым сверхвысокочастотным радиоизлучением понимают область элек1рома1нитного спектра, заключенную между длинами волн от миллиметра до десятков сантиметров A0е—1С3 Мгц). Успех радиоспектро- скопии в применении к исследованию спектров атомов связан с тем обстоя- тельством, что расстояния между компонентами уровней, расщепленных бла- ю;ыря релятивистским, спиновым и вакуумным эффектам, соответствуют дли- нам волн радиочастотного диапазона. 2 Это справедливо для дипольного перехода, однако расчет показываем что между состояниями Ь^ и 2^iz запрещен также и квадруаольныи переход. § 20. Тонкая структура спектра водородоподобного атома 289 Фиг. 20.2. Схема опытов Лэмба — Ризерфорда по экс- периментальному обнару- жению расщепления уров- ней 2sy2 и 2/?1/г: /—вольфрамовая печь, испу- :кающая пучок атомов водорода; 2 — поток электронов, возбуждаю- щих атомы водорода; 3 — радио- частотное поле; 4 — мишень; 5 — гальванометр. дают свою энергию возбуждения, вырывая электроны из ме- талла. Электронный ток измерялся чувствительным гальвано- метром. Если пучок метастабильных атомов подвергнуть воздейст- вию возмущения, которое вызывает переходы 2s—>2р, то в этом случае атомы практически мгновенно вслед за этим переходят в ls-состояние, не успевая достигнуть мишени, в результате чего ток в гальванометре уменьшается. Такие переходы в опыте Лэмба и Ризерфорда индуцирова- лись радиочастотным излучением (вероятность соответствую- щего спонтанного перехода исчезающе мала), причем при не- которой частоте наблюдается сильное гасящее действие, в результате которого ток на мишень прекращается. Эта частота и> истолковывается как резонансная, вызывающая вынужденные переходы 2si/2 —> 2/7у2 или 2sy2—*2рз/? с последующим практически мгновенным переходом на уровень lsy2. Энергия йсо соответст- вует разности энергий между этими состояниями. Таким обра- зом, открывается возможность весьма точного измерения отно- сительно положения уровней 2s,,, 2ри и 2о9, *. /2 12 h В результате проведенных измерений было установлено, что уровень 2sy2 сдвинут вверх относительно уровня 2ру2 примерно на Vio часть расстояния между уровнями дублета Bру2) — Bр*/2), равного -tqR. Расположение уровней водородоподоб- ного атома при п = 2, полученное на основе опытов Лэмба и Ризерфорда, приведено на фиг. 20.3. Для сравнения на том же рисунке приведено расположение тех же уровней по теории 1 В опытах Лэмба и Ризерфорда фиксировалась волна радиочастотного излучения, условие резонанса, которое соответствовало разности зеемановских компонент между состояниями 2s,/? и 2pi/2 или 2рц подбиралось путем из- менения магнитного поля Ж. Затем, экстраполируя результаты на случай Ж = 0, авторы находили сдвиг уровня. 19 Зак. 328 290 ч^сть it рглятивистская квантовая механика rose Щ/2 •2s f/2 I Фиг. 20.3. Расщепление термов в атоме водорода: а — экспериментальные данные; б — по теории Дирака (без учета вакуумных эффектов). Частоты соответствующих переходов указаны в мегагерцах. Дирака. Расстояния между уровнями даны в мегагерцах. Со- гласно новейшим данным сдвиг уровня 2sy2 составляет при- мерно 1057,77 Мгц, или в длинах волн ~28 см. Это, казалось бы, ничтожное расхождение теории и экспери- мента привело к замечательному прогрессу в квантовой элек- тродинамике (более подробно см. § 21).
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Экспериментальная проверка теории тонкой структуры» з дисципліни «Квантова механіка і атомна фізика»
