Описывается экспериментальное наблюдение лэмбовского сдвига уровней энергии в атоме водорода и его простейшая теоретическая интерпретация.
Опыты Лэмба и Ризерфорда. Теория Дирака хорошо объясняет тонкую структуру атомных спектров как результат проявления спиновых и релятивистских эффектов. В соответствии с формулой (72.43) уровни энергии атома водорода зависят от главного квантового числа $n$ и квантового числа $j$. Поэтому два различных состояния с одинаковыми $n$ и $j$ должны обладать одинаковой энергией. В частности, состояния $2^{2} S_{1 / 2}$ и $2^{2} P_{1 / 2}$ должны обладать одинаковой энергией, причем их совпадение должно быть точным. Уже в 1934 г. спектроскописты высказывали сомнение в
правильности этого теоретического заключения. Однако точность измерения, которая была достигнута в то время, не позволила дать на этот вопрос определенного ответа. Такая возможность представилась (1947) в результате применения радиоспектроскопических методов Лэмбу и Ризерфорду.
В своем методе Лэмб и Ризерфорд воспользовались тем, что уровень $2^{2} S_{1 / 2}$ является метастабильным, а уровень $2^{2} P_{1 / 2}$ – нестабильным. В самом деле, переход из состояния $2^{2} S_{1 / 2}$ в состояние $1^{2} S_{1 / 2}$ запрещен правилом отбора $\Delta L=\Delta l= \pm 1$, поскольку при этом переходе должно быть $\Delta l=$ $=0$. Переход же из состояния $2^{2} P_{1 / 2}$ в состояние $1^{2} S_{1 / 2}$ разрешен, поскольку при этом переходе $\Delta l=-1$. В метастабильном состоянии атом находится дольше, чем в нестабильном, примерно в $10^{8}$ раз, при этом переход из метастабильного состояния совершается с испусканием двух фотонов. Что же касается разрешенного перехода, то он относительно перехода из метастабильного состояния совершается практически мгновенно. Это обстоятельство и использовали Лэмб и Ризерфорд в своих опытах (рис. 147). Пучок атомов водорода в основном состоянии $1^{2} S_{1 / 2}$ получается в вольфрамовой печи в результате диссоциации молекулярного водорода при высокой температуре. Если на мишень $M$ попадают атомы в невозбужденном состоянии, то они не обладают энергией возбуждения, которую могли бы передать электронам мишени. В результате электроны из металла не вырываются и никакого тока в цепи с гальванометром $\Gamma$ не наблюдается. Однако часть атомов пучка можно возбудить. Для этого пучок атомов водорода пересекается пучком электронов $П$.
В результате столкновения электронов пучка с атомами водорода последние возбуждаются. Те атомы, которые возбуждаются до состояния $2^{2} P_{1 / 2}$, практически мгновенно переходят в основное состояние и на мишень попадают в основном состоянии. Те же атомы, которые возбуждаются до метастабильного состояния $2^{2} S_{1 / 2}$, попадают на мишень в метастабильном (возбужденном) состоянии. В условиях эксперимента Лэмба и Ризерфорда примерно один атом из $10^{8}$ атомов пучка возбуждался до метастабильного состояния $2^{2} S_{1 / 2}$. При попадании на мишень возбужденный алом отдает свою энергию возбуждения, вырывая электроны из мишени. В результате в цепи с гальванометром возникает ток. По силе тока можно судить о количестве атомов в метастабильном состоянии, попадающих на мишень.
На своем пути пучок атомов пересекает область ( ) с переменным электромагнитным полем. Если уровни $2^{2} S_{1 / 2}$ и $2^{2} P_{1 / 2}$ не совпадают, то, попадая в область изменяющегося электромагнитного поля, частота которого равна частоте излучения, соответствующей разности энергий между состояниями $2^{2} S_{1 / 2}$ и $2^{2} P_{1 / 2}$, атомы должны совершать переходы между этими состояниями: $2^{2} S_{1 / 2} \rightarrow$ $\rightarrow 2^{2} P_{1 / 2}$. Из состояния $2^{2} P_{1 / 2}$ атом практически мгновенно переходит дальше в состояние $1^{2} S_{1 / 2}$ и попадает на мишень в основном состоянии. Таким образом, если частота электромагнитного поля в области, которую пересекает пучок, равна частоте излучения, соответствующей разности энергий между уровнями $2^{2} S_{1 / 2}$ и $2^{2} P_{1 / 2}$, то должно наблюдаться резкое уменьшение силы тока. По резонансной частоте можно определить разность энергий уровней $2^{2} S_{1 / 2}$ и $2^{2} P_{1 / 2}$.
147
Схема опыта Лэмба и Ризерфорда
148
Расщепления уровней $2 s_{1 / 2}$ и $2 p_{1 / 2}$ в атоме водорода
Аналогично может быть определено и относительное положение других уровней.
Своими опытами Лэмб и Ризерфорд доказали, что уровни $2^{2} S_{1 / 2}$ и $2^{2} P_{1 / 2}$ не совпадают между собой, как это предсказывается теорией Дирака. Разность между этими уровнями по частотам равна 1058 МГц. Взаимное расположение уровней $2^{2} S_{1 / 2}, 2^{2} P_{1 / 2}$ и $2^{2} P_{3 / 2}$, полученное в опытах Лэмба и Ризерфорда, показано на рис. 148 . Таким образом, между релятивистской теорией и экспериментом имеется расхождение. Количественно оно очень мало: ведь расстояние между уровнями $2^{2} P_{1 / 2}$ и $2^{2} P_{3 / 2}$ является тонкой структурой, а расстояние между уровнями $2^{2} S_{1 / 2}$ и $2^{2} P_{1 / 2}$ примерно в десять раз меньше этого расстояния.
Анализ этого расхождения показал, что сдвиг энергетических уровней электронов в атомах, обнаруженный
$\begin{array}{ll}26 & 219\end{array}$ в опытах Лэмба и Ризерфорда, обусловлен взаимодействием электрона с флуктуациями вакуума. Следовательно,
вакуум нельзя рассматривать как нечто, где ничего нет. В действительности вакуум обладает определенными физическими свойствами, которые, в частности, проявляются в опытах Лэмба и Ризерфорда.
Физические свойства вакуума. В лэмбовском сдвиге уровней атомных электронов проявляются физические свойства электромагнитного вакуума.
Физические свойства вакуума обусловливаются виртуальным порождением и поглощением фотонов и всех других частиц. Поэтому говорят не только об электромагнитном вакууме, но и о вакууме других частиц. В частности, выше шла речь о состояниях с отрицательной энергией и позитронах. Фон электронов в состояниях с отрицательной энергией есть электронно-позитронный вакуум. Имеется также вакуум и других частиц.
Вакуум различных частиц играет очень большую роль в современной квантовой теории поля. Благодаря вакууму соответствующих частиц осуществляется взаимодействие частиц друг с другом. Например, электромагнитное взаимодействие по закону Кулона осуществляется с помощью электромагнитного вакуума. Электрические заряды обмениваются виртуальными фотонами, в результате чего возникает сила взаимодействия между зарядами. Обмен виртуальными фотонами сводится к испусканию фотона одним из зарядов и поглощению другим. Таким обра-
зом, этот обмен фотонами между зарядами изменяет нулевое состояние вакуума и в результате возникает электромагнитное взаимодействие между зарядами. Аналогично, ядерные силы обусловлены $\pi$-мезонами. В результате виртуального поглощения и испускания $\pi$-мезонов протонами и нейтронами между протонами и нейтронами возникают силы ядерного притяжения. Поэтому $\pi$-мезон ответствен за ядерные силы.
Основной особенностью мира элементарных частиц является широкая взаимопревращаемость частиц друг в друга. В результате их взаимодействий друг с другом одни частицы исчезают, а другие порождаются. В процессе этих взаимопревращений вакуум играет первостепенную роль: он является как бы резервуаром, из которого черпаются порождаемые частицы и куда переходят исчезающие частицы. На примере состояний с отрицательной энергией электрона было пояснено, как это происходит в случае электронно-позитронного вакуума. Вакуум частиц проявляется и во многих других наблюдаемых эффектах.
Таким образом, развитие квантовой теории поля привело к возникновению представлений о вакууме как о наделенной физическими свойствами среде. Это не есть эфир с механическими свойствами, который играл такую большую роль в механической картине мира XIXв. Но это есть объективная физическая реальность с объективными физическими свойствами, которые проявляются в экспериментах.
