&bala; Física 18, 41
A descoberta de uma pequena discrepância no espectro atômico do hidrogênio ocorreu no momento certo para impulsionar a teoria quântica.
Para o Ano internacional de ciência quântica e tecnologiaAssim, Estamos republicando histórias sobre a história da física quântica dos arquivos de Revista de Física e Notícias da APS. O Versão authentic desta história foi publicado em Revista de Física em 27 de julho de 2012.
No segundo trimestre do século XX, a teoria quântica enfrentou alguns sérios desafios, incluindo detalhes inexplicáveis dos espectros atômicos e dificuldades no cálculo das propriedades básicas de partículas carregadas. Em 1947, Willis Lamb e Robert Retherford, da Universidade de Columbia, descobriram um detalhe inesperado no espectro de hidrogênio, mais tarde chamado de mudança de cordeiro, que se tornou uma pista essencial na solução de ambos os problemas (1). A medição acordou com novos cálculos e foi a primeira indicação de que a abordagem teórica chamada renormalização poderia resolver os infinitos matemáticos que ameaçaram inviabilizar o progresso da mecânica quântica.
Na década de 1940, os teóricos entenderam uma variedade de fenômenos que tiveram pequenos efeitos nas energias dos elétrons atômicos, como correções relativísticas e interações entre rotação e momento angular orbital. Esses efeitos se mostraram na chamada estrutura fina dos espectros atômicos-a maneira como muitas linhas espectrais, correspondendo a saltos entre os níveis de energia eletrônica, são vistos em um exame atento para se dividir em grupos de linhas espaçadas.
Lamb e estudante de pós -graduação Retherford queriam medir a estrutura fina de hidrogênio investigando dois estados de elétrons específicos. Um tinha uma vida relativamente longa S Estado, com um orbital esférico simétrico, e o outro period de vida mais curta P Estado, com menos simetria. A teoria padrão previu que os dois estados devem ter igual energia, mas que a aplicação de um campo magnético deve influenciar os estados de maneiras diferentes e induzir uma diferença de energia entre eles.
A equipe enviou um fluxo de elétrons em ângulos retos em um feixe de átomos de hidrogênio, entrando em contato com alguns deles no S Estado e também desvie -os levemente da direção do feixe principal. Os átomos excitados passaram por uma região contendo radiação de microondas e um campo magnético ajustável e depois atingem um alvo de steel. Os átomos excitados voltariam ao estado basic, emitindo elétrons que a equipe poderia detectar como uma corrente. A chave do experimento foi que, se a diferença de energia induzida por campo magnético entre os dois estados fosse igual à energia dos fótons de microondas, então a vida longa S o estado absorveria um fóton e se transformaria em curta duração P estado. Esses átomos voltariam ao seu estado basic antes de atingir o alvo, e a corrente no detector desapareceria essencialmente.
Ao plotar a força crítica do campo magnético para uma variedade de frequências de microondas, Lamb e Retherford podem determinar a diferença de energia entre os dois estados na ausência de um campo magnético. Ao contrário da expectativa, a diferença não period zero.
Esse afastamento da teoria tornou -se conhecido como mudança de cordeiro e foi um tópico privilegiado para discussão na Shelter Island Convention sobre mecânica quântica que ocorreu em junho de 1947 no extremo de Lengthy Island, Nova York. Muitos dos teóricos presentes argumentaram que a mudança de cordeiro foi resultado do problema de “auto-energia” na eletrodinâmica quântica. O problema period que os cálculos da interação da carga de um elétron com seu próprio campo produziram valores aparentemente infinitos para a energia e massa da partícula e também lançaram cálculos de espectros atômicos.
Foi Hans Bethe, na viagem de trem para casa, que escreveu um artigo curto dando um cálculo um tanto incompleto, mas bastante preciso, da mudança (2). A solução para o problema de auto-energia, proposto por outros, period pensar no elétron “nu” como tendo energia infinita que é cancelada principalmente pela energia infinitamente negativa de sua interação com seu próprio campo elétrico. Essa chamada abordagem de renormalização leva a uma correção com a energia clássica que depende da distância. UM P-State Electron passa uma quantidade diferente de tempo próximo ao núcleo do que um S-State Electron, para que exijam correções diferentes. A estimativa de Bethe para a mudança de cordeiro resultante se encaixa no resultado experimental notavelmente bem e demonstrou que a renormalização – que está no centro da mecânica quântica atual – poderia ser verificada em experimentos.
Aceitando uma parte do Prêmio Nobel de 1955 em física por sua descoberta, Lamb observou que alguns experimentos anteriores (3) uma década antes de dele e de Retherford “indicaram uma discrepância que deveria ter sido levada a sério”. Silvan Schweber, da Universidade Brandeis, Massachusetts, diz, no entanto, que, embora as descobertas anteriores tivessem levado a algum trabalho teórico, a importância do experimento mais limpo de cordeiro-Lambford foi que “depois de ter sido relatado em Shelter Island, tornou-se o ponto de partida para o programa de renormalização. ”
–David Lindley
David Lindley é um escritor de ciências freelancers, agora aposentado. Seu livro mais recente é O universo dos sonhos: como a física basic se perdeu (Penguin Random Home, 2020).
Referências
- Nós cordeiro e RC Retherford, “Estrutura fina do átomo de hidrogênio por um método de microondas”. Phys. Rev. 72241 (1947).
- Ha Bethe, “A mudança eletromagnética dos níveis de energia”. Phys. Rev. 72339 (1947).
- WV Houston, “Um novo método de análise da estrutura de H e d” Phys. Rev. 51446 (1937); RC Williams, “as estruturas finas de H e d Sob diferentes condições de descarga ”. 54558 (1938).
