1955年诺贝尔物理学奖

1955年诺贝尔物理学奖

1955年的物理学奖，被美国的两位物理学家分享，他们是威利斯·兰姆（Willis mb）和波利卡普·库什（Polykarp Kusch）。兰姆使用微波技术探究氢原子的精细结构，发现了兰姆位移；库什使用射频束精确地测量了电子的磁矩，完善了核理论。二人都对量子电动力学的创立和发展起到重大的推动作用。

兰姆和库什都是在第二次世界大战前不久进入哥伦比亚大学辐射实验室的，两人都是拉比的追随者与合作者。兰姆先是从事理论研究，发表过多篇论文。库什则直接参与了拉比的磁共振方法研究。他们二人在第二次世界大战期间都从事过雷达技术的工作，从而促使他们对微波有所了解，并在后来的实验中用到这一技术。他们在同一个实验室中工作，但分别领导着一个小组，在同一年完成并且可以用同样的原理来解释各自的发现，这一原理就是关于电子与电磁辐射相互作用的理论。显然，他们的研究工作是相互促进的，尽管使用的方法与实验装置有所不同。

威利斯·尤金·兰姆（Willis Eugene Lamb，1913—2008），出生于美国加利福尼亚州的洛杉矶，父亲是一位电话工程师。1930年，兰姆进入伯克利加州大学，1934年获化学学士学位。随后在奥本海默的指导下研究理论物理学，1934年获得博士学位。1938年，兰姆到哥伦比亚大学任教。从1943年到1951年，兰姆在哥伦比亚大学辐射实验室工作，在那里完成了他的主要成就。2008年，逝世于亚利桑那洲的图森。

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兰姆的发现与氢原子有关，氢原子中有一个电子，沿一系列的轨道绕其核旋转，每条轨道对应于确定的能级，各能级都具有精细结构。长期以来，精细结构的解释是使用狄拉克的相对论性量子力学，并且得到了公认。然而，用光学方法验证狄拉克的精细结构理论，历经一二十年，始终未获得成功。

氢光谱作为最典型、最简单的一种原子光谱，对它的研究历时一百多年。1885年，巴耳末发现14根氢谱线的波长可以用一个简单的公式来表示，这就是巴耳末公式。随后不久的1887年，迈克尔逊和莫雷发现这一谱系的第一条谱线Hα线有精细结构，当时由于谱线本底太强，无法分辨结构的细节，只能认为是由双线组成。后人根据谱线强度的包络线作出种种猜测，例如，有人认为里面包含五条强度不等的细线。1913年，玻尔提出定态跃迁原子模型，成功地推出了巴耳末公式，然而仍不能解释精细结构。1916年，索末菲对玻尔的理论进行了修正，计算出了双线的理论值，与实验所得基本吻合。1926年，海林堡等人用量子力学计算能级，与索末菲的结果稍有出入。1928年，狄拉克用相对论量子力学，考虑到自旋和轨道耦合，提出了狄拉克方程，可以描述氢原子的能级，据此得出氢光谱中Hα的精细结构。只是由于与Hα有关的能级中22S1/2和22P1/2、32S1/2和32P1/2、32S3/2和32P3/2能级分别相等，所以实际上Hα只有五个成分。

为了检验狄拉克理论的正确性，人们对氢光谱作了大量的光学实验，均未有定论。其中只有加州理工学院的豪斯顿（W.V.Houston）和谢玉铭的实验取得了明确结论，他们的实

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验结果表明，氢光谱的双线间隔比狄拉克理论预测的大约窄了3%，超出了实验误差。他们指出，可能是狄拉克未考虑到电子与辐射场的相互作用所致。据此，帕斯特奈克（S.Pasternack ）提出，只要假设子能级22S 1/2比22

P 1/2高出0.033cm -1，就可以消除这一分歧。

1945年夏，兰姆从文献中得知，曾有人试图检测气体放电中氢原子的短波射频吸收，却由于微波技术欠佳而未获得成功。现在微波技术发展了，应该能够做出准确的判断。于是，他说服学生雷瑟福和他一起做这个实验。然而，实验开始时并不顺利，在气体放电过程中，氢原子的短波射频吸收受到强烈的干扰。兰姆经过分析，认为必需创造一种条件，以便利用氢原子中可能具有的亚稳态22S 1/2来做实验。当氢原子发生射频辐射从22S 1/2跃迁到22P 1/2时，亚稳态将会消失，在大约10-9秒内发出辐射而回到基态，使得亚稳态的氢原子明显减少。因此，可以通过这种方法对亚稳态进行精确测定。他们的实验方案如图所示。

兰姆位移实验原理图

把氢气输入到2500K 的加热炉中，约有64%的氢分子离解，形成氢原子束，在输出的途中被加速到10.2eV

的横向电子束

激发到n＝2的各个状态。而处于22P1/2和22P3/2态的氢原子在很短的时间内就会自发地跃迁到基态12S1/2，处于22S1/2态的氢原子受选择定则的限制不能做这样的跃迁，因而形成亚稳态。氢原子束在前进途中要经过一个射频区域，这是磁共振方法的基本部件，由电磁铁和微波系统组成。电磁铁提供0.3T以上的连续可调的恒定磁场，其作用是使氢原子产生塞曼能级分裂。微波系统可使氢原子产生2S和2P态的塞曼能级之间的共振跃迁。不同的磁场强度对应于不同的共振频率，这样就可以通过调整磁场强度，选择共振频率，而微波的频率是固定的。发生共振时，2S亚稳态氢原子由于跃迁到2P态而减少，因此，这一装置可以通过调整共振频率严格控制产生的2S亚稳态氢原子的数量。当亚稳态和基态的氢原子打到钨接收板P时，因为钨的逸出功小于10.2eV，亚稳态氢原子有足够的能量使之电离，而基态氢原子则不能。在装置中，集电极A对P保持3V年—4V的电压，从P逸出的电子能够被集电极A收集形成集电极电流，送往静电计测量，测量结果可以直观反应亚稳态氢原子的数量。这样，就可以在共振频率与亚稳态氢原子之间建立联系，从而测定产生亚稳态时的共振频率。

兰姆和雷瑟福的实验结果确切地表明，根据狄拉克理论计算的共振频率与实际测量的共振频率相差1000MHz，正好等于预期的位移值0.033cm—1。进一步改进设备与测量方法后，他们得到的谱线移动（对应的共振频率位移）为1057.77±0.10MHz。按照（后来发展的）量子电动力学的计算，氢原子n＝2时兰姆位移的理论值为1057.56±0.10MHz，

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两者相符得很好。

兰姆位移实验，直接促使了量子电动力学的诞生，足可进入十大物理实验的排名。此后，兰姆在物理上还有很多发现，他在研究核外电子对外磁场的屏蔽作用时，凝聚态中的核磁共振现象还未被发现。然而，在拉比的分子束磁共振实验中，需要准确地知道外场在核处的有效场应该是多少。为了解决这个问题，兰姆发表了著名的核磁屏蔽公式。1963年，兰姆发现了所谓的著名的兰姆凹陷。兰姆凹陷可用于激光稳频。

波利卡普·库什（Polykarp Kusch，1911—1993），生于德国的布兰肯堡（Blankenburg），1岁时全家迁往美国，成为美国公民，定居于俄亥俄州克利夫兰。他原先打算学化学，但一进入大学（凯斯技术学院）就改变了志向，改学物理学。1931年大学毕业，进入伊利诺斯大学继续攻读研究生，1936年获得博士学位。1937年进入哥伦比亚大学。二战时期离开学校，先后到威斯汀豪斯公司和贝尔实验室工作，掌握了微波和真空管技术，为日后的研究打下了基础。战后，他又回到哥伦比亚大学。

库什在哥伦比亚大学期间，很早就跟随拉比使用分子束磁共振从事原子、分子和核物理方面的研究，成为拉比学派中重要的成员。他本人的研究方向，主要是对原子分子组成成分以及与外加场的相互作用。战后，他开始研究电子的反常磁矩并且精确测定其数值。1925年，乌兰贝克（G.E Uhlenbeck）和古德斯密（S.A.Goudsmit）为了解释从光谱实

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