Общий курс физики Том 5. Часть 1. Атомная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
2. Идея опыта Лэмба и Ризерфорда основана на том, что возбужденный уровень 2р\/2 является нестабильным, а возбужденный уровень 2s,l/г — метастабильным. Время жизни на уровне 2sі/2 примерно в 108 раз больше, чем на уровне 2/?і/г. Действительно, радиационный переход с уровня 2р1/2 на невозбужденный уровень 1 st/г с испусканием одного фотона разрешен правилом отбора Д/ = ±1. Переход же с уровня 2si/2 на уровень 1 s 1/2 запрещен, поскольку при этом Д/ = 0. Такой переход возможен только с испусканием двух фотонов, а потому он совершается примерно в 108 раз медленнее, чем переход 2/?i/2 —1 Si/2. По сравнению с переходом 2si/2->-lsi/2 переход 2р і /2 —1S і/2 происходит примерно в 10® раз быстрее, т. е. практи- I
чески мгновенно. -----1
В опытах Лэмба и Ризерфорда мо- к 'j лекулы водорода диссоциировались |
под действием высокой температуры 3
в печи К (рис. 84). В результате получался пучок атомов водорода в основном состоянии lsi/2, направляв- ри
шийся на металлическую пластинку (мишень) Р, соединенную с гальванометром. Поскольку атомы пучка не были возбуждены, они не могли передавать энергию электронам мишени Р. Вырывания электронов из мишени не происходило, и гальванометр не обнаруживал электрического тока.
Но часть атомов (примерно одну стомиллионную) можно было перевести в возбужденные состояния 2s 1/2 и 2р\/2, заставив пучок атомов пересекать электронный пучок Э. Возбуждение атомов производится ударами электронов, так что правила отбора при излучении не действуют. Энергия возбуждения составляет 10,2 эВ. Атомы в состоянии 2р!/2 на мишень Р не попадают, так как они практически мгновенно переходят в основное состояние lsi/2. На мишень из возбужденных атомов могут попасть только
276 ДАЛЬНЕЙШЕЕ ПОСТРОЕНИЕ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ [ГЛ. V
атомы в состоянии 2Sj/2. 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 2si/2, попадающих на мишень.
Если теперь на пути пучка атомов водорода включить циклически меняющееся магнитное поле надлежащей частоты, то в случае несовпадения уровней 2si/2 и 2/))/2 начнутся вынужденные переходы между ними (см. § 42, пункт 2). Они будут происходить с максимальной скоростью при резонансе, когда частота внешнего магнитного поля будет соответствовать разности энергий между рассматриваемыми уровнями. Перейдя из состояния 2si/2 в состояние 2pi/2, атом почти мгновенно возвращается в невозбужденное состояние lsi/2. Поэтому число возбужденных атомов в состоянии 2pi/2, попадающих на мишень, начинает убывать. Вместе с тем начинает убывать и ток через гальванометр. По минимуму тока можно определить резонансную частоту поля, а с ней и разность уровней 2.?і/2 — 2р1/21).
Опыты Лэмба и Ризерфорда доказали, что уровни 2$і/2 и 2р\/2 не совпадают между собой. Разность между ними по частотам составляет для водорода 1057,90 ±0,06 МГц. Эта разность (как и вообще разность между уровнями тонкой структуры с одинаковыми п и /, но различными I) называется лэмбов-ским сдвигом. Взаимное расположение уровней 2si/2, 2р1/2 и 2рз/2 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 2рз/2 и 2Si/2. Тем не менее это очень важное явление, теоретически истолкованное в квантовой электродинамике. Последняя дает для лэмбовского сдвига в случае водорода 1057,91 ±0,01 МГц, что находится в превосходном согласии с экспериментальным значением, приведенным выше. Столь же превосходное согласие получается для дейтерия и однократно ионизованных атомов гелия.
3. Заметим, что лэмбовский сдвиг позволяет судить о точности, с которой оправдывается закон Кулона на расстояниях порядка атомных (10-8 см). Предположим, что истинный закон имеет вид Е ~ 1 /г2±у. Предположим далее, что |у| = 10~9. Тогда
‘) Уровень 2р]/2 оказался лежащим ниже уровня 2s, ,,. Поэтому возможны переходы 2sj^->-2p , и в отсутствие внешнего поля. Однако так как расщепление мало, а вероятность перехода пропорциональна кубу расстояния между уровнями, то эта вероятность крайне мала (соответствующее время жизни— порядка нескольких лет). Поэтому указанный переход можно не принимать во внимание.
99 W МГц
1 tjz
1057,90 МГц '
-2р1/г
Рис. 85
ФИЗИЧЕСКИЙ ВАКУУМ И ЛЭМБОВСКИИ СДВИГ
277
вычисления привели бы К изменению лэмбовского сдвига 2s 1/2 —
— 2/?i/2 на величину, большую существующей ошибки измерения. На основании этого можно заключить, что на атомных расстояниях |y| не может быть больше 10-9 (ср. т. III, § 6, пункт 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), в настоящее время на ускорителях с встречными пучками закон Кулона проверен до расстояний ~ 10-16 см.
§ 45. Физический вакуум и объяснение лэмбовского сдвига
