Физика 20 века: ключевые эксперименты - Тригг Дж.
Скачать (прямая ссылка):
3 ЭЬли действие на атом электромагнитного излучения рассмат-
ривать в рамках квантовой механики, оказывается, что испускание
или поглощение излучения происходит с существенной вероятностью
не при произвольных изменениях атомного состояния, но лишь при
вполне определенных (соответствующие ограничения выражаются в терминах
изменений квантовых чисел, описывающих состояние ато-
ма). Такие переходы называются разрешенными, а соответствующие
изменения квантовых чисел-правилами отбора.
130
разработать и провести эксперимент по прямому обнаружению этих переходов.
Основной результат, кратко изложенный в журнале The Physical Review в
1947 г. и позднее детально описанный в серии статей, помещенных в этом же
журнале, состоял в следующем: "в противоречии с (существовавшей тбгда. -
Дж. Т.) теорией, но в согласии с гипотезой Пастернака, состояние 22Si/2
лежит выше чем 22Pi/2 на величину около 1000 МГц (0,033 см-1), что
составляет примерно 9% от релятивистского спинового расщепления дублета".
Этот эксперимент, который мы и рассмотрим в настоящей главе, в
значительной степени стимулировал в последующие два года развитие
релятивистской квантовой теории взаимодействия электрона с
электромагнитным полем. Эта работа, как и последующие исследования Лэмба
с сотрудниками, была отмечена присуждением Лэмбу Нобелевской премии по
физике за 1955 г.
Эксперимент был далеко не прост. В ряде статей, особенно первой,
содержался подробный (несмотря на возражения со стороны тогдашнего
редактора The Physical Review) ход рассуждений и описывались все тонкости
планирования этого эксперимента. Такой стиль не характерен для
современной научной литературы, но он позволяет проследить истинный ход
научного мышления. Лэмб и Ризерфорд "прежде всего задались вопросом,
позволяет ли современная микроволновая техника успешно и точно определить
тонкую структуру спектра водорода по поглощению соответствующего
излучения, возникающего при газовом разряде... Предварительные прикидки
скорее отпугивали". Оценки сечения поглощения и возможного числа
возбужденных атомов указывали на то, что величина поглощения,
обусловленная атомными переходами, должна быть совершенно ничтожной на
фоне основного вклада, вносимого свободными электронами, возникающими при
разряде. И тогда у Лэмба и Ризерфорда возникла мысль о возможности иного
подхода.
"В радиочастотной спектроскопии существует два основных метода. В одном
случае вещество поглощает или как-то иначе взаимодействует с проходящим
через него излучением. В другом - излучение вызывает наблюдаемые
изменения в веществе. Первый метод применяется в обычной микроволновой
спектроскопии, когда
13J
излучение проходит длинный путь в поглощающем газе. Второй же метод
представляет собой резонансный метод молекулярных пучков в радиочастотной
области (см. гл. 6). Поскольку первый метод не обещал успехов при
изучении тонкой структуры спектра водорода, мы занялись рассмотрением
возможностей, которые предоставляет второй метод".
Ключ к решению проблемы следовало искать в заметном различии в свойствах
исследуемых состояний. "В случае атомарного водорода состояния 2Р
переходят в основное состояние 15, и этот переход сопровождается
испусканием фотона с длиной волны 1216 А в течение 1,595-10~9 с; за это
время атом мог бы пройти расстояние около 1,3-10-3 см, если принять его
скорость равной 8-105 см/с. С другой стороны, не исключено, что состояние
225i/2 окажется достаточно метастабильным, так что можно будет
использовать молекулярный пучок частиц в таком состоянии".
Метастабильность действительно должна иметь место, поскольку переход из
этого состояния в основное не мог происходить обычным образом с
излучением фотона, так как неоткуда было взять единичный момент импульса,
который должен был унести фотон. "Если бы удалось с помощью
радиочастотного поля или другим способом индуцировать переход из этого
состояния в 2Р-состояние, то последующий переход в состояние 12Si/2
произошел бы настолько быстро, что число возбужденных атомов в пучке
сильно сократилось бы. Если бы удалось к тому же найти детектор, который
избирательно регистрирует возбужденные атомы водорода, мы получили бы
возможность измерить разность энергий между метастабильным состоянием
225/3 и различными 2Р-СОСТОЯНИЯМИ...
Для осуществления этой программы необходимо было решить две проблемы: 1)
создать пучок атомов в 22S .-состоянии и 2) обнаружить такие атомы.
Очевидно, успех всего мероприятия зависел от знания свойств
метастабильных атомов водорода". В то время эти знания были недостаточны.
По существу, первый вопрос заключался в том, в какой степени вообще
проявляется метастабильность в реальных условиях. В полностью
изолированном атоме ее существование было вне сомнений. Наиболее
вероятный путь распада такого состояния состоял в испуска-
132
нии двух фотонов; согласно оценкам, время жизни такого состояния
составляет порядка 0,1 с, что было более чем достаточно для решения
