اقرأ في هذا المقال
عندما تحاول الحصول على دقة عالية جدًا لفحص الانقسامات الصغيرة في الخطوط الطيفية، مثل البنية الدقيقة للهيدروجين وتحول لامب، فإن هذه التفاصيل تحجبها مصادر توسيع الخط، وفي غاز الضغط المنخفض المصدر الرئيسي للتوسيع يعتبر هو توسيع دوبلر من الحركة الحرارية لذرات أو جزيئات الغاز، وهذا أمر خطير بشكل خاص في الهيدروجين؛ لأنه يحتوي على كتلة منخفضة وبالتالي سرعة حرارية عالية.
كيفية تحول الأحمال بطريق التحليل الطيفي للتشبع
إن الليزر صبغ قابل للضبط يستخدم لميزة ممتازة في التحليل الطيفي للتشبع الخالي من دوبلر، وذلك لتقليل تأثيرات توسيع دوبلر، إذ ينقسم ضوء الليزر إلى شعاعين، شعاع مشبع وحزمة مسبار مرتبة بحيث يعبران في منطقة من خلية غازية تحتوي على غاز الهيدروجين، وعندما يتم ضبط الليزر على تردد انتقال الإلكترون فإن شعاع التشبع يكون شديدًا بدرجة كافية لاستنفاد المستوى الأدنى من الانتقال.
يتم قطع حزمة التشبع أو تعديلها، بحيث يتم تشغيل وإيقاف تشبع العبور، ثم يتم امتصاص شعاع المسبار أو لا اعتمادًا على ما إذا كانت الحزمة المشبعة قيد التشغيل، ويضرب شعاع المسبار كاشفًا حساسًا مقفلًا على تردد التعديل، حيث تأتي الميزة الهائلة لهذه التقنية في القضاء على تأثيرات توسيع دوبلر من توجيه حزمة التشبع وحزمة المسبار عبر الغاز في اتجاهين متعاكسين.
إن ذرات الهيدروجين الوحيدة التي لها صدى مع كلا الشعاعين هي تلك التي لا تحتوي على مكون للسرعة في اتجاه الحزم، وبالتالي تمتص بالتردد المرتبط بالإطار المتبقي للذرة، حيث ترى الذرات الأخرى في إطارات الراحة الخاصة بها أن الإشعاع الوارد يتحول لأعلى لحزمة التشبع ولأسفل لحزمة المسبار أو العكس، لذلك فهي ليست رنانة لكليهما، وتم الحصول على الطيف الموضح عن طريق ضبط ليزر الصبغة ببطء من خلال نطاق التردد للانتقال وقياس التغير في شدة حزمة المسبار عند تردد التعديل أو التقطيع.
وبالنسبة لغاز الهيدروجين عند 300 كلفن تبلغ سرعة جذر متوسط التربيع حوالي 2700 م / ث، حيث تتوافق هذه السرعة مع انزياح دوبلر بحوالي 4 جيجاهرتز للانتقال الإلكتروني للهيدروجين، أو توسيع الخط بمقدار ضعف ذلك، وهذا من شأنه أن يحجب تحول (Lamb) بشكل فعال ، لأنه لا يتجاوز 1.057 جيجاهرتز.
تم استثناء هذا التوسيع الكبير في دوبلر في تجربة لامب ريثرفورد عن طريق انتقالات الميكروويف، حيث كان تحول دوبلر قليلا، ويعطي استخدام الموجات الدقيقة 2.395 جيجاهرتز للتجربة تحول دوبلر بحوالي 20 كيلو هرتز فقط، والذي لم يعيق التجربة، كما تجنبت تجربة التحليل الطيفي للتشبع هذه مشكلة توسيع دوبلر.
تحول الحمل بالاعتماد على حل معادلة شرودنجر الهيدروجين
يجب أن تعتمد مستويات طاقة إلكترون الهيدروجين فقط على الرقم الكمي الأساسي ن، وفي عام 1951 اكتشف ويليس لامب أن هذا لم يكن كذلك، حيث أن حالة 2p (1/2) أقل قليلاً من حالة 2s (1/2) مما أدى إلى حدوث تحول طفيف في الخط الطيفي المقابل (إزاحة لامب).
قد يبدو أن مثل هذا التأثير الصغير سيعتبر غير مهم، لكن في هذه الحالة سبر هذا التحول أعماق الفهم للنظرية الكهرومغناطيسية، وفي قلب العملية توجد قوة التبادل التي تتفاعل بواسطتها الشحنات عن طريق تبادل الفوتونات نموذج تبادل القوة للقوة الكهرومغناطيسية، ويمكن أن يكون هناك تفاعل ذاتي للإلكترون عن طريق تبادل الفوتون كما هو موضح.
وهذا يلطخ موضع الإلكترون على مدى حوالي 0.1 فيرمي، حيث أن نصف قطر بوهر = 52900 فيرمي، ويتسبب هذا في اختلاف عامل (g) المغزلي للإلكترون اختلافًا طفيفًا عن 2، وهناك أيضًا ضعف طفيف في القوة المؤثرة على الإلكترون عندما يكون قريبًا جدًا من النواة؛ مما يتسبب في إختراق الإلكترون 2 ثانية الذي يتغلغل طوال الطريق إلى النواة لتكون أعلى قليلاً في الطاقة من الإلكترون 2p (1/2).
عندما نقول أن تغلغل الإلكترون (2s) الأقرب إلى النواة يؤدي إلى طاقة أعلى من تلك الموجودة في (2p)، فإن هذا يبدو متناقضًا بشكل مباشر مع حالة الذرات متعددة الإلكترونات، وهناك تغلغل (2s) الأقرب إلى النواة يعني أنه قد اخترق داخل إلكترونات (1s) وبالتالي يشعر بجاذبية أقوى للنواة الإيجابية؛ مما يؤدي إلى مستوى طاقة أقل حيث يتطلب الأمر المزيد من الطاقة لإزالة (2s) من الذرة أكثر من (2p).
لكن في حالة ذرة الهيدروجين يوجد إلكترون واحد فقط، لذلك لا يوجد أي حماية من الإلكترونات الداخلية عندما تكون في حالة الإثارة (2s) أو (2p)، إذ أن التأثير على مستويات الطاقة له أصل مختلف تمامًا، على غرار الديناميكا الكهربائية الكمومية.
وفي حالة عدم وجود هذا التأثير سيكون لل (2s) و (2 p) طاقات متطابقة، حيث لا يوجد حماية بوجود إلكترونات أخرى، ويتسبب التفاعل الذاتي للإلكترون عندما يكون بالقرب من البروتون في التلطيخ الفعال من شحنة الإلكترون، بحيث تكون جاذبيتها للبروتون أضعف قليلاً مما كانت ستصبح عليه لولا ذلك، وهذا يعني أنه واجه تفاعلًا يجعله أقل ارتباطًا بإحكام من إلكترون 2p، وبالتالي أعلى في الطاقة.
قياس تحول الأحمال
إن تحول لامب قليل جدا ويصعب قياسه كتقسيم في الخطوط الطيفية الضوئية أو فوق البنفسجية، فمن الممكن الاستفادة من الانتقالات مباشرة بين المستويات الفرعية بالانتقال إلى مناطق أخرى من الطيف الكهرومغناطيسي، حيث قام ويليس لامب وروبرت ريثرفورد بقياساتهما للتحول في منطقة الميكروويف.
وقاموا بعمل مجموعة من ذرات الهيدروجين في حالة 2 ثانية (1/2)، ولم تستطع هذه الذرات الانتقال مباشرة إلى الحالة 1s (1/2)؛ بسبب قاعدة الاختيار التي تحتاج تغيير الزخم الزاوي المداري بمقدار وحدة واحدة في الانتقال، إذ أن وضع الذرات في مجال مغناطيسي لتقسيم المستويات بواسطة تأثير زيمان عرّض الذرات لإشعاع الميكروويف عند 2395 ميجاهرتز، وهذا ليس بعيدًا جدًا عن تردد فرن الميكروويف العادي البالغ 2450 ميجاهرتز.
ثم عملوا على تغيير المجال المغناطيسي حتى أنتج هذا التردد انتقالات من 2p (1/2) إلى 2p (3/2)، ويستطيعوا بعد ذلك قياس الانتقال المسموح به من حالة 2p (3/2) إلى حالة 1s (1/2)، حيث تم استعمال النتائج لمعرفة أن المجال المغنطيسي الصفري لهذه المستويات يتوافق مع 1057 ميجاهرتز، ومن خلال علاقة بلانك أخبر ذلك أن فصل الطاقة كان 4.372 × 10 -6 فولت.
تم استثناء توسيع دوبلر كبير في تجربة لامب ريثرفورد عن طريق انتقالات الميكروويف، حيث كان تحول دوبلر صغيرًا، ويعطي استعمال الموجات الدقيقة 2.395 جيجاهرتز للتجربة تحول دوبلر بحوالي 20 كيلو هرتز فقط، والذي لم يسبب مشاكل في التجربة، كما استثنت تجربة التحليل الطيفي للإشباع مشكلة توسيع دوبلر.
أهمية تحول الحمل
عندما تم معرفة إزاحة لامب بشكل تجريبي قدمت تحققًا عالي الدقة من الحسابات النظرية التي تم إجراؤها عن طريق نظرية الكم للديناميكا الكهربائية، وقالت هذه الحسابات بأن الإلكترونات تتبادل الفوتونات دائما وهذه هي الآلية التي تعمل بها القوة الكهرومغناطيسية، ويمكن حساب تأثير الانبعاث المستمر وامتصاص الفوتونات على معامل الإلكترون بدقة كبيرة.
إن إزاحة لامب الصغيرة المقاسة بدقة كبيرة توافق على العديد من المنازل العشرية مع النتيجة المحسوبة من الديناميكا الكهربائية الكمية، حيث أن الدقة المقاسة تعطينا عامل (g) المغزلي للإلكترون، حيث إن ز = 2.002319304386.
