ЛЭ́МБОВСКИЙ СДВИГ

ЛЭ́МБОВСКИЙ СДВИГ уров­ней, сме­ще­ние уров­ней энер­гии свя­зан­ных со­стоя­ний ато­мов, ио­нов, а так­же по­доб­ных им ис­кус­ст­вен­ных сис­тем за­ря­жен­ных час­тиц ти­па мю­он­ных ато­мов и мюо­ния, обу­с­лов­лен­ное ра­диа­ци­он­ны­ми по­прав­ка­ми. Наи­бо­лее про­стой кван­то­вой сис­те­мой, в ко­то­рой впер­вые был об­на­ру­жен и из­ме­рен Л. с., яв­ля­ет­ся атом во­до­ро­да. Урав­не­ние Ди­ра­ка для элек­тро­на в ку­ло­нов­ском по­ле то­чеч­но­го яд­ра пред­ска­зы­ва­ет вы­ро­ж­де­ние уров­ней энер­гии свя­зан­ных со­стоя­ний, об­ла­даю­щих од­ни­ми и те­ми же глав­ным кван­то­вым чис­лом n и кван­то­вым чис­лом j пол­но­го мо­мен­та ко­ли­че­ст­ва дви­же­ния, но дву­мя воз­мож­ны­ми зна­че­ния­ми ор­би­таль­но­го кван­то­во­го чис­ла l=j±¹/₂ (n>1). По­это­му, напр., со­стоя­ния 2S 1/2 (n=2, j=¹/₂, l=0) и 2P 1/2 (n=2, j= 1 /₂, l=1) долж­ны иметь оди­на­ко­вую энер­гию. При спек­тро­ско­пич. ис­сле­до­ва­ни­ях ли­ний се­рии Баль­ме­ра в 1934–39 бы­ло об­на­ру­же­но, что ве­ли­чи­на тон­ко­го рас­ще­п­ле­ния пер­во­го воз­бу­ж­дён­но­го со­стоя­ния мень­ше, чем это сле­до­ва­ло из тео­рии Ди­ра­ка. Это не­сов­па­де­ние мож­но бы­ло объ­яс­нить тем, что уро­вень 2S_1/2 рас­по­ло­жен вы­ше уров­ня 2P_1/2 при­бли­зи­тель­но на 1000 МГц. Од­на­ко не­вы­со­кая точ­ность экс­пе­ри­мен­тов вы­зва­ла со­мне­ние в ре­аль­но­сти та­ко­го сдви­га.

В 1947 У. Лэмб и Р. Ри­зер­форд (США) с по­мо­щью раз­ра­бо­тан­но­го ими ра­дио­спек­тро­ско­пич. ме­то­да по­ка­за­ли, что уро­вень 2S_1/2 дей­ст­ви­тель­но сме­щён на 1000 МГц вверх от­но­си­тель­но уров­ня 2P_1/2. Это от­кры­тие (Но­бе­лев­ская пр., 1955), а так­же пер­вые тео­ре­тич. рас­чё­ты (Х. Бе­те, 1947) ра­диа­ц. сдви­гов во­до­род­ных уров­ней по­слу­жи­ли толч­ком для по­сле­дую­ще­го раз­ви­тия кван­то­вой элек­тро­ди­на­ми­ки.

При­чи­ной Л. с. яв­ля­ют­ся кван­то­вые флук­туа­ции ва­куу­ма элек­тро­маг­нит­но­го и элек­трон-по­зи­трон­но­го по­лей (ва­куу­ма фи­зи­че­ско­го), ко­то­рые ме­ня­ют по­тен­ци­аль­ную энер­гию взаи­мо­дей­ст­вия элек­тро­на с ядром. Взаи­мо­дей­ст­вие элек­тро­на с ну­ле­вы­ми ко­ле­ба­ния­ми элек­тро­маг­нит­но­го по­ля опи­сы­ва­ет­ся Фейн­ма­на диа­грам­мой и вклю­ча­ет про­цес­сы вир­ту­аль­но­го ис­пус­ка­ния и по­гло­ще­ния фо­то­нов свя­зан­ным элек­тро­ном. Вы­зван­ное эти­ми про­цес­са­ми «дро­жа­ние» элек­тро­на с не­ко­то­рой ма­лой ам­пли­ту­дой при­во­дит к по­ло­жи­тель­ной до­бав­ке к по­тен­циа­лу взаи­мо­дей­ст­вия и со­от­вет­ст­вен­но к сдви­гу атом­но­го уров­ня вверх. Ве­ли­чи­на сдви­га про­пор­цио­наль­на ве­ро­ят­но­сти на­хо­ж­де­ния элек­тро­на вбли­зи яд­ра и по­это­му мак­си­маль­на для сфе­ри­че­ски-сим­мет­рич­ных со­стоя­ний с l = 0. Оцен­ка от­но­сит. ве­ли­чи­ны ра­диа­ц. сдви­га α(Zα)²ln(1/Zα) со­став­ля­ет 10^–6 (здесь α≈¹/₁₃₇ – по­сто­ян­ная тон­кой струк­ту­ры и Z=1 для во­до­ро­да).

Др. ра­диац. эф­фек­том яв­ля­ет­ся по­ля­ри­за­ция ва­куу­ма во­круг то­чеч­но­го за­ря­да яд­ра из-за вир­ту­аль­но­го ро­ж­де­ния и ан­ни­ги­ля­ции элек­трон-по­зи­трон­ных пар, ко­то­рая ис­ка­жа­ет ку­ло­нов­ский по­тен­ци­ал на рас­стоя­ни­ях по­ряд­ка комп­то­нов­ской дли­ны вол­ны элек­тро­на, уве­ли­чи­вая эф­фек­тив­ный за­ряд яд­ра и по­ни­жая тем са­мым энер­гию уров­ня. Для во­до­ро­до­по­доб­ных ато­мов эти рас­стоя­ния су­ще­ст­вен­но мень­ше ра­диу­са бо­ров­ской ор­би­ты элек­тро­на и по­прав­ка ма­ла по срав­не­нию с по­прав­кой за счёт кван­то­вых флук­туа­ций элек­тро­маг­нит­но­го по­ля, так что ре­зуль­ти­рую­щий сдвиг уров­ня по­ло­жи­те­лен. В мю­он­ных ато­мах, на­обо­рот, осн. вклад в Л. с. оп­ре­де­ля­ет­ся по­ля­ри­за­ци­ей элек­трон-по­зи­трон­но­го ва­куу­ма, по­сколь­ку ра­ди­ус бо­ров­ской ор­би­ты мюо­на при­бли­зи­тель­но в 200 раз мень­ше, чем для элек­тро­на. В ре­зуль­та­те, напр., в мю­он­ном ато­ме во­до­ро­да уро­вень 2S_1/2 ле­жит ни­же уров­ня 2P_1/2.

Экс­пе­рим. из­ме­ре­ния Л. с. (пре­ж­де все­го час­тот­но­го ин­тер­ва­ла δ_Н ме­ж­ду со­стоя­ния­ми 2S_1/2 и 2P_1/2 в во­до­ро­де и во­до­ро­до­по­доб­ных ато­мах) про­во­ди­лись в те­че­ние мн. лет ра­дио­спек­тро­ско­пич. ме­то­дом (по­греш­ность этих из­ме­ре­ний со­став­ля­ла ок. 100 кГц), а так­же c по­мо­щью атом­но­го ин­тер­фе­ро­мет­ра, при этом бы­ла дос­тиг­ну­та наи­мень­шая по­греш­ность ок. 2 кГц (1981). Но­вей­шие из­ме­ре­ния на ос­но­ве двух­фо­тон­ной ла­зер­ной спек­тро­ско­пии да­ют зна­че­ние δ_Н=1057,8447(34) МГц.

В совр. тео­рии Л. с. уч­те­ны ве­ду­щие по­прав­ки выс­ших по­ряд­ков по кон­стан­те свя­зи Zα , по­прав­ки вто­ро­го по­ряд­ка по α в собств. энер­гии, ано­маль­ном маг­нит­ном мо­мен­те и по­ля­ри­за­ции ва­куу­ма, а так­же уч­те­ны эф­фек­ты, свя­зан­ные с ко­неч­но­стью мас­сы и ра­диу­са про­то­на. В пре­де­лах дос­тиг­ну­той точ­но­сти вы­чис­ле­ний тео­ре­тич. ре­зуль­та­ты со­гла­су­ют­ся с экс­пе­ри­мен­таль­ны­ми. Пре­ци­зи­он­ные рас­чё­ты и из­ме­ре­ния ра­диац. сдви­гов да­ют воз­мож­ность из­влечь не­за­ви­си­мую ин­фор­ма­цию о ра­диу­се про­то­на.