
【化】 Lamb shift
【医】 mho
【计】 shift; shifting
【医】 aversion; displacement; gression; shift; transposition
兰姆移位(Lamb Shift)是量子电动力学(QED)中的核心概念,指氢原子能级在实验观测与经典理论预测之间存在的细微偏移现象。1947年物理学家威利斯·兰姆(Willis Lamb)和罗伯特·雷瑟福(Robert Retherford)通过微波技术首次精确测量到这一现象,该发现直接推动了量子场论的发展。
从汉英词典角度解析:
术语定义
英文对应词为"Lamb Shift",描述氢原子2S₁/₂和2P₁/₂能级间约1058MHz的微小能差。这一偏移违背了狄拉克方程的预测,揭示了真空量子涨落的物理效应。
理论机制
本质源于电子与虚光子间的相互作用,需通过QED重整化方法计算。朱利安·施温格(Julian Schwinger)等建立的数学框架成功解释了该现象,计算公式为: $$ Delta E = frac{alpha m_e c}{8pi n} $$ 其中α为精细结构常数,mₑ为电子质量。
实验验证
兰姆的实验装置采用射频共振法,精度达到MHz量级。该成果被收录于《物理评论》期刊(Physical Review, 1947, Vol.72),成为检验QED理论的基准实验。
参考文献
NobelPrize.org. "Willis E. Lamb - Biographical". https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1955/lamb/biographical/
Feynman, R. P. (1985). QED: The Strange Theory of Light and Matter. Princeton University Press.
Bethe, H. A. (1947). "The Electromagnetic Shift of Energy Levels". Physical Review 72(4):339
Lamb, W. E., Retherford, R. C. (1947). "Fine Structure of the Hydrogen Atom". Physical Review 72(3):241-243
兰姆移位(Lamb Shift)是量子物理学中的一个重要现象,指氢原子中原本在经典理论中简并的两个能级(如2S₁/₂和2P₁/₂)实际存在的微小能量差。以下是详细解释:
定义与发现
兰姆移位由美国物理学家威利斯·兰姆(Willis Lamb)和罗伯特·雷瑟福(Robert Retherford)于1947年通过射频波谱实验首次观测到。这一发现打破了狄拉克方程和薛定谔方程的预言,成为量子电动力学(QED)发展的关键证据,兰姆因此获得1955年诺贝尔物理学奖。
理论背景
在传统量子力学中,氢原子的能级仅由主量子数$n$决定,同一$n$不同角量子数$l$的能级应完全简并。但实验表明,2S₁/₂($l=0$)和2P₁/₂($l=1$)能级之间存在约$1058 text{MHz}$的能量差。
物理机制
兰姆移位源于量子真空的零点涨落效应:真空中不断产生-湮灭的虚光子扰动电子位置,导致能级修正。这种效应需用量子电动力学(QED)描述,其中电磁场的量子化与电子相互作用重新定义了势能。
意义与影响
该现象验证了QED的核心假设,并催生了重整化方法(消除计算中的无穷大量),推动了粒子物理学标准模型的建立。此外,兰姆移位在精密测量(如原子钟)和凝聚态物理中也有应用。
公式表示
兰姆移位的能量差可近似为:
$$
Delta E approx frac{alpha m_e c}{8pi} left( lnfrac{1}{alpha} + text{常数项} right)
$$
其中$alpha$为精细结构常数,$m_e$为电子质量,$c$为光速。
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