闲话精细结构常数讲解
29页1、闲话精细结构常数 材料物理 高光宇 0310252 应用物理 赵冠楠 0310308 量子力学专题 1 l几年前,澳大利亚新南威尔斯大学的科学家通 过对来自遥远的类星体的光谱数据的分析,发 现宇宙早期的精细结构常数可能比现在的小大 约一百万分之七左右。 l这一发现,如果被进一步证实,将对理论物理 的前沿研究产生重大的影响。那么为什么它的 改变会如此的轰动效应? 返回 2 原子光谱与精细结构 l1664年,牛顿发现一束细小的太阳光在通过三 棱镜后会分解成像彩虹那用的连续光带。牛顿 把这种彩色的光带叫做光谱。 l19世纪初,英国物理学家威廉渥拉斯顿发现, 太阳光的连续光谱带其实并不是真正连续的, 而是带有许许许多多的暗线条。 3 太阳光谱 氢原子光谱 (巴尔默系,背景彩色是为了表示三条光谱线的位置而加进去的) 4 l1891年,麦克尔逊通过精确的实验发现,原子 光谱的每一条谱线,实际上是由两条或多条靠 得很近的谱线组成的。这种细微的结构称为光 谱线的精细结构。 l然而,当时的物理学理论无法解释光谱为什么 是一条条分离的谱线,而不是连续的谱带,更 不用说光谱的精细结构了 5 氢原子模型和精细
2、结构常数 l玻尔模型 l索末斐对玻尔的氢原子模型作了几方面的改进: 原子核和电子绕着他们的共同质心转动 轨道不必是一个正圆,也可以是椭圆 计及质量随速度变化的相对论效应 能量与量子数n和l有关,精细结构与l有关 6 l索末斐在解释原子光谱的精细结构时首先提出 了精细结构常数,所以这个常数被称为索末斐 精细结构常数。 氢原子光谱的精细结构精细结构常数 7 精细结构常数的物理意义 l量子电动力学认为,两个带电粒子是通过 互相交换光子而相互作用的。 l这种交换可以有很多种不同的方式。 l不同复杂程度的交换方式,对最终作用的 贡献是不一样的。 8 l它们的贡献随着过程中光子的吸收或发射 次数呈指数式下降,而这个指数的底,正 好就是精细结构常数。 l这样精细结构常数就具有了全新的含义: 它是电磁相互作用中电荷之间耦合强度的 一种度量,或者说,它就是电磁相互作用 的强度。 9 l强相互作用的量子色动力学和能描述弱相互作 用的弱电统一理论都把相互作用看作是粒子之 间相互交换某种粒子的结果。 l在这些理论中,也有类似于精细结构常数的东 西。 l强相互作用的“精细结构常数”比电磁精细结构 常数大得多,因
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