Сдвиг уровней

небольшое отклонение тонкой структуры (См. Тонкая структура) уровней энергии водородоподобных атомов от предсказаний релятивистской квантовой механики, основанных на Дирака уравнении (См. Дирака уравнение).Согласно точному решению этого уравнения, атомные уровни энергии являются двукратно вырожденными: энергии состояний с одинаковым главным квантовым числом n = 1, 2, 3,... и одинаковым квантовым числом полного момента j = ¹/₂, ³/₂... должны совпадать независимо от двух возможных значений орбитального квантового числа l = j ± 1/2 ≤ n—1 (исключая j + ¹/₂ = n, когда l = j — ¹/₂ = n—1). Однако в 1947 У. Лэмб и Р. Ризерфорд методом радиоспектроскопии (См. Радиоспектроскопия) измерили расщепление «вырожденных» уровней 2S_1/2(n = 2, l = 0, j = 1/2) и 2Р_1/2 (n = 2, l = 1, j = ¹/₂) в атоме водорода — т. н. лэмбовский сдвиг. Новейшее экспериментальное значение этой величины L_н^эксп. = (1058,90 ± 0,06) Мгц. Теоретически лэмбовский сдвиг объяснён и вычислен в рамках квантовой электродинамики (См. Квантовая электродинамика). Основной вклад (Сдвиг уровнейα³R, где α — Тонкой структуры постоянная, R —Ридберга постоянная) дают два радиационных эффекта (см. Радиационные поправки); 1) испускание и поглощение связанным электроном виртуальных фотонов (см. Виртуальные частицы), что приводит к изменению эффективной массы электрона и возникновению у него аномального магнитного момента; 2) возможность виртуального рождения и аннигиляции в вакууме электронно-позитронных пар (т. н. поляризация вакуума), что искажает кулоновский потенциал ядра на расстояниях порядка комптоновской длины волны (См. Комптоновская длина волны) электрона (Сдвиг уровней 4․10^-11 см). Найден также вклад эффектов движения и структуры ядра атома водорода (протона). Современное теоретическое значение лэмбовского сдвига в водороде L_н^теор.= (1058,911 ± 0,012) Мгцполностью согласуется с экспериментальным, что является блестящим подтверждением основных положений квантовой электродинамики. Хорошо согласуются измеренные и вычисленные сдвиги других уровней, а также в других водородоподобных атомах (D, Не⁺ и т. п.).

Лит.: Сдвиг уровней атомных электронов и дополнительный магнитный момент электрона согласно новейшей квантовой электродинамике. Сб. статей, под ред. Д. Д. Иваненко, М., 1950; Фаустов Р. Н., Уровни энергии и электромагнитные свойства водородоподобных атомов, «физика элементарных частиц, и атомного ядра», 1972, т. 3, в. 1, с. 238.

Р. Н. Фаустов.

level shift

СДВИГ УРОВНЕЙ

небольшое отклонение тонкой структуры уровней энергии атома водорода и водородоподобных атомов от предсказаний релятив. квант. механики, основанных на Дирака уравнении. Согласно точному решению этого ур-ния, ат. уровни энергии двукратно вырождены: энергии состояний с одинаковым гл. квант. числом n=1, 2, 3,... и одинаковым числом полного момента j=1/2, 3/2... должны совпадать независимо от двух возможных значений орбит. квант. числа l=j±1/2. Однако в 1947 амер. учёные У. Лэмб и Р. Ризерфорд методом радиоспектроскопии измерили расщепление вырожденных уровней 2S1/2 (n=2, l=0, f =1/2) и 2P1/2 (n=2, l=1, j=1/2) в атоме водорода — т. н. л э м б о в с к и й сдвиг. Эксперим. значение этой величины (в ед. частоты Dn=D?/h) D?L= 1057,86(2) МГц. Теоретически лэмбовский сдвиг объяснён и вычислен в рамках квант. электродинамики. Осн. вклад дают два радиац. эффекта (радиационные поправки): 1) испускание и поглощение связ. эл-ном виртуальных фотонов (см. ВИРТУАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ), что приводит к изменению эфф. массы эл-на и возникновению у него аномального магн. момента; 2) возможность виртуального рождения и аннигиляции в вакууме электрон-позитронных пар (поляризация вакуума), что искажает кулоновский потенциал ядра на расстояниях порядка комптоноеской длины волны эл-на (=10-11 см). Найден также вклад эффектов движения и структуры ядра атома водорода (протона). Совр. теор. значение лэмбовского сдвига в атоме водорода D?теорL=1057,87(2) МГц полностью согласуется с экспериментальным, что блестяще подтверждает осн. положения квант. электродинамики. Хорошо согласуются измеренные и вычисленные сдвиги др. уровней, а также в др. водородоподобных атомах (D, Не+ и т. п.).

spostamento dei livelli, dislivellamento m