10.3. Досліди Лемба і Різерфорда з вимірювання зміщення енергетичних рівнів атомів водню

Метою цих дослідів була перевірка виродженості термів та , що випливало з рівняння тонкої структури. Спочатку припустимо, що ці енергетичні рівні не вироджені, тобто вони не збігаються один з одним, як це наведено на рис.10.3. Енергетичний рівень - це метастабільний рівень, тому що перехід на більш глибокий енергетичний рівень заборонений правилами відбору. Отже, збуджений на рівень електрон повинен знаходиться на ньому досить довгий час.

Рис.10.3. Схема енергетичних

рівнів атома водню з n=1, 2.

Перехід із рівня на рівень дозволений правилами відбору . Проте він малоймовірний, тому що ймовірність переходу, згідно (9.13), пропорційна кубу частоти кванта що випромінюється під час переходу, а енергія цього кванта мала. Таким чином,

електрон у збудженому стані має великий час життя.

Водночас відомо, що ймовірності вимушених переходів значно більші від ймовірностей спонтанних переходів. Тому при опромінюванні атомів водню електромагнітними хвилями з суттєво зростає ймовірність вимушених переходів між цими енергетичними рівнями, що у свою чергу викликає спонтанний перехід на рівень ,і утворюється не збуджений атом водню Безпосереднє вимірювання зсуву рівня відносно рівня було виконано У. Лембом і . Різерфордом (1947). У дослідах вивчалася можливість виникнення вимушених переходів та оцінювалася величина розщеплення. Для того щоб визначити існування цих вимушених переходів, потрібно мати у своєму розпорядженні: 1) джерело для збудження на рівень атомів водню

Рис. 10.4. Схема приладу в дослідах Лемба і Різерфорда.

( ), 2) детектор збуджених атомів водню і 3) джерело електромагнітних хвиль із частотами, близькими до частоти

для збудження в вимушених переходів,

4) детектор збуджених атомів водню.

Джерелом збуджених атомів водню ( ) була атомна гармата (1). Вона складалась із замкненого об’єму з капілярним отвором. В об’єм напускався водень при певному тискові. Стінки камери з воднем розжарювалися до температури 2000 К. На розжарених стінках камери молекулярний водень дисоціює на атоми, і крізь капіляр у вакуум іде потік атомів водню. Потік атомів водню перетинався електронним променем (оптичне збудження переходу не ефективне, поскільки дипольний перехід заборонений правилами відбору). Енергія електронів вибиралась більшою, ніж потенціал збудження атомів водню на рівень За допомогою конденсатора (2) з пучка збуджених атомів водню вилучались іони та інші заряджені частинки, так що до колектора могли доходити лише нейтральні частинки, серед яких була значна кількість збуджених атомів водню . Детектором потоку збуджених атомів був вольфрамовий колектор (4). Атоми , що стикаються з поверхнею вольфраму, віддають йому свою енергію збудження . Вона достатня для того, щоб електрони вольфраму змогли подолати його поверхневий потенціальний бар’єр і вийти у вакуум, бо , де - робота виходу вольфраму.