Поляризация вакуума. Наблюдение Лэмбовского сдвига

Лэмбовский сдвиг – сдвиг энергии связи электрона в атоме водорода, обусловленный взаимодействием атома с нулевыми флуктуациями электромагнитного поля. Экспериментально установлен У.Ю. Лэмбом и Р. Ризерфордом в 1947 году.

Суть эффекта: В квантовой электродинамике лэмбовский сдвиг объясняется влиянием на электрон порождаемого им электромагнитного поля и зависит от энергетического состояния электрона. Согласно квантовой теории поля, вакуум представляет собой поляризуемую среду: электрический заряд в вакууме окружён облаком виртуальных электрон позитронных пар, которые частично экранируют заряд (см.с. 11.7).

Когда электрон приближается к атомному ядру, он проникает в облако виртуальных пар, что ведёт к возрастанию взаимодействия между ядром электроном. Этот эффект достаточно велик для экспериментальной проверки. Сдвиг уровней, наблюдаемых в эксперименте Лэмба, ¾ это небольшое отклонение тонкой структуры уровней энергии водородоподобных атомов от предсказаний релятивистской квантовой механики, основанных на уравнении Дирака. 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 должны совпадать независимо от двух возможных значений орбитального квантового числа l=j±1/2=n-1.

Рис. 11.7. Экранировка электрического заряда в КЭД

Однако Лэмб и Резерфорд методом радиоспектроскопии обнаружили расщепление уровней 2S_1/2 (n=2, l=0, j=1/2) и 2P_1/2 (n=2, l=1, j=1/2) в атоме водорода, которые согласно теории Дирака должны были совпадать. Величина сдвига пропорциональна a³R, где a ¾постоянная тонкой структуры, R ¾постоянная Ридберга, основной вклад в которую дают два эффекта:

1. испускание и поглощение связанным электроном виртуальных фотонов, 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 электрона (~4´10^-11см).

Разница в энергии, найденная Лэмбом и Резерфордом для перехода 2Р_1/2®2S_1/2, составила ~1060 МГц.

Дата добавления: 2014-01-14