Vorlesungsskript Physik IV - Walther Meißner Institut - Bayerische ...

Abschnitt 4.4 PHYSIK IV 149Willis Eugene Lamb (geb. 1913), Nobelpreis für Physik 1955:Willis Eugene Lamb wurde am 12. Juli 1913 in Los Angeles geboren.Er begann 1930 sein Studium an der University of California at Berkeley underhielt dort 1934 den Bachelor of Science in Chemie. Im Jahr 1938 erhielt er ander gleichen Universität seinen Doktortitel. Seine Doktorarbeit über die Analyseder elektromagnetischen Eigenschaften von Kernsystemen wurde von J.R.Oppenheimer betreut.Nach seiner Doktorarbeit ging er an die Columbia University und wurde dort1945 Assistant Professor, 1947 Associate Professor und 1948 schließlich FullProfessor. Von 1943 bis 1951 war er auch mit dem Columbia Radiation Laboratoryassoziiert, wo er seine mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Arbeitenmachte. 1951 ging er an die Stanford University als Professor für Physik. Von1953-1954 war er Morris Loeb Lecturer an der Harvard University. Von 1956bis 1962 war er Fellow of New College and Wykeham Professor of Physics ander University of Oxford, England. 1962 wurde er Henry Ford II Professor ofPhysics an der Yale University, New Haven, Conn.Im Jahr 1953 erhielt er den Rumford Premium der American Academy of Artsand Sciences. Die University of Pennsylvania verlieh ihm einen Ehrendoktor imJahr 1954. Er erhielt 1955 den Nobelpreis für Physik für seine Entdeckungenzur Feinstruktur des Wasserstoffspektrums und ferner den Research CorporationAward. Er ist Mitglied in einer Zahl von National Academy of Sciences und Fellow der American PhysicalSociety.g = 2 verantwortlich. Da die Lamb-Verschiebung sehr genau vermessen werden kann, stellte sie einenhervorragenden Test der QED dar.Wir wollen nun die physikalische Ursache der Lamb-Verschiebung qualitativ anhand eines anschaulichenModells klarmachen. Durch die virtuelle Absorption und Emission von Photonen macht das Elektron aufgrundder Photonenrückstöße eine Zitterbewegung im Coulomb-Potenzial des Kerns (siehe Abb. 4.6a).Seine mittlere potentielle Energie kann dann aufgrund der Schwankungen δr des Bahnradius durch〈E pot 〉 = − Ze2 1〈4πε 0 r + δr 〉 (4.4.1)ausgedrückt werden. Bei einer statistischen Verteilung ist zwar 〈δr〉 = 0, aber 〈(r + δr) −1 〉 ̸= 〈1/r〉, sodass eine Verschiebung der Energieniveaus stattfindet. Die genaue Berechnung dieser Energieverschiebungerfordert die Benutzung der Quantenelektrodynamik, die eine volle Beschreibung der Atomhülleund ihrer Wechselwirkung mit einem Strahlungsfeld liefert.Die Effekte dieser Wechselwirkung sind im Allgemeinen sehr klein und ihre experimentelle Beobachtungerfordert hochgenaue spektroskopische Methoden. Mit den heutigen Methoden der Laserspektroskopielassen sich allerdings bereits Verschiebungen im Bereich von 0.1 MHz oder 10 −10 eV beobachten Dasgenaue Termschema des n = 2 Zustandes des Wasserstoffatoms ist in Abb. 4.6b gezeigt. Die Lamb-Verschiebung ist am größten für den s-Zustand, weil der Einfluss von δr auf E pot für kleine r am größtenist. Die Messung der Lamb-Shift im 2s 1/2 -Zustand gelang als erstem Willis Lamb und Robert Retherfordim Jahr 1947.Wir wollen im Folgenden kurz das Experiment von Lamb und Retherford vorstellen. Lamb und Retherfordbenutzten die Methode der Resonanzspektroskopie, da eine Trennung der Linien mit Hilfe dernormalen optischen Spektroskopie an der Dopplerverbreiterung scheitern musste. Bei der Resonanzspektroskopiewird ein elektronischer Übergang direkt durch Einstrahlen von Licht der entsprechenden2003