P139: Ein Schmankerl zum Schluss: Das Vakuum macht sich bemerkbar

 22.8 Lamb-Shift

Wir haben ja erfahren, dass durch die Unbestimmtheitsbeziehung zwischen Energie und Zeit, 

 ΔE *  Δt = h, 

 Energie der Größe ΔE für die Zeit Δt einfach so entstehen kann.

Post zur UBR Energie/Zeit 

Das haben wir Vakuumfluktuationen genannt.

Meistens taucht die Energie in Form von Photonen auf, manchmal auch durch Paare aus Elektronen und Positronen (dann ist das Vakuum polarisierbar), ganz selten entstehen Fußbälle und Antifußbälle (die sind so schnell wieder weg, dass man sie nicht nachweisen kann...).

 Post über Vakuumfluktuation und Casimireffektt

Beim Casimireffekt haben wir gelernt, dass diese Vakuumfluktuationen auch richtige messbare Kräfte ausüben können.

Beim Laser werden wir lernen, dass sie für einen wichtigen Aspekt des Lasermechanismus verantwortlich sind.

Diese Vakuumfluktuationen beeinflussen auch die Energiezustände der Elektronen. Schließlich sind die ja mitten in diesem blubbernden Vakuum drin...

NASA

 Durch die Vakuumfluktuationen verschieben sich die Energieniveaus geringfügig. Dies hat Dirac schon 1927 vermutet, aber erst Oppenheimer konnte das 1930 näher begründen (bevor er sich an die Entwicklung der Atombombe machte....).

1945 hat  Lamb die Verschiebung dann am Wasserstoff  ausmessen können.

Der Energieunterschied durch das Brodeln des Vakuums lioegt bei 3 μeV, das entspricht einer Mikrowellenstrahlung von 1,1 GHz (Handyfrequenzen).

Lamb hat H-Atome in einen Mikrowellenofen geschossen und dort durch Mikrowellen den Übergang angeregt.

Bethe hat dann 1947 den von Lamb gemssenen Wert mit der Quentenelektrodynamik genauestens bestätigen können. Dazu hat er ein Verfahren entwickelt, das man salopp etwa so beschreiben kann:

Wenn in einer Formel divergierende Terme auftreten (Unendlichkeiten), dann lasse sie einfach weg und rechne mit den endlichen Termen weiter.

Passt.

 Das Bild fasst sehr schön die Feinheiten unserer Modelle zusammen:

wikipedia

Und hier die winzig kleine Lamb-Shift bei Wasserstoff:

aus "Feynman und die Physiik", Jörg Resag, Springer

 

 

Im starken elektrischen Feld des Uranatoms ist der Einfluss der Vakuumfluktuationen viel stärker. 

Bei zweifach ionisierten Uranatomen (heliumähnliches Uran) liegt sie bei 70 eV, d.h. sie wird durch kurzwelliges UV-Licht angeregt!

Mit Hilfe der Feynmandiagramme kann man die Beiträge zur Lambshift darstellen:

a) und b) zeigen auftauchende Photonen neben dem Elektron im oberen (a)) und unteren (b)) Zustand auf. Bei c) entsteht ein Photon während des Quantensprung (das ist eines der Fluktuatiionen, das abgestrahlte Photon fliegt nach rechts). Dies führt zu Niveauvershchebungen von - 9 eV bei Uran! Bei f) wird dargestellt, wie das abgestrahlte Photon kurzfristig ein Elektron-Positron-Paar besitzt (Verschiebung um +2,6 eV)

nlab common

Vermessung und Berechnung der Lamb-Shift ist eine der grandiosesten Leistungen der Physik.

Das unglaubliche Fluktuieren des Vakuums ist da und beeinflusst die Elektronenhüllen.

Für die Entdeckung 1945 hat Willis Eugene Lamb (1913 - 2008) 1955 den Nobelpreis für Physik erhalten.