最近發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》的一篇論文介紹了一種新的精密光譜方法，用于測(cè)定雙體量子系統(tǒng)的結(jié)合能。該方法利用量子跳躍技術(shù)，可精確測(cè)量原子能級(jí)的微小變化。作者將該方法應(yīng)用于氫原子，獲得了迄今為止最精確的氫原子結(jié)合能測(cè)量結(jié)果。結(jié)合現(xiàn)有理論計(jì)算，他們進(jìn)一步研究了質(zhì)子尺寸之謎，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子尺寸可能比之前認(rèn)為的要小，為相關(guān)理論研究提供了重要線索。

引言

氫原子作為最簡(jiǎn)單的原子系統(tǒng)，在物理學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域扮演著重要角色。其基本性質(zhì)，例如結(jié)合能和結(jié)構(gòu)參數(shù)，不僅是檢驗(yàn)量子力學(xué)理論的基石，也是理解原子物理和化學(xué)的關(guān)鍵。

近年來，隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，科學(xué)家們對(duì)氫原子進(jìn)行了更加深入的研究。在這其中，精密光譜技術(shù)無疑為精確測(cè)定氫原子能級(jí)提供了極為強(qiáng)大的工具。通過精密光譜技術(shù)，科學(xué)家們能夠?qū)湓拥哪芗?jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行高精度的測(cè)量，這為理論模型的驗(yàn)證和對(duì)原子行為的深入理解提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)方法

論文作者提出了一種新的精密光譜方法，用于測(cè)定雙體量子系統(tǒng)的結(jié)合能。該方法基于量子跳躍技術(shù)，其核心思想是利用光與原子之間的相互作用，誘發(fā)原子發(fā)生量子躍遷，并精確測(cè)量躍遷過程中的能量差。

具體而言，作者采用了一種被稱為“光學(xué)頻率梳”的激光器，該激光器可以產(chǎn)生具有精確頻率間隔的梳狀光譜。將光學(xué)頻率梳照射到氫原子上，可以激發(fā)原子發(fā)生特定能量差的量子躍遷。通過精確測(cè)量躍遷光子的頻率，即可推導(dǎo)出原子能級(jí)的精確值。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

作者將上述方法應(yīng)用于氫原子，通過分析場(chǎng)無關(guān)和場(chǎng)依賴的里德堡-斯塔克態(tài)的光譜位置，研究者們推導(dǎo)出了n=20和24的玻爾能量，以及相對(duì)于2S_{1/2}(f=0,1)亞穩(wěn)態(tài)的電離能。結(jié)合這些結(jié)果與過渡頻率和1S超精細(xì)分裂的測(cè)量，他們確定了1S(0)基態(tài)的電離頻率為 3288087922407.2(3.7){stat}(1.8){syst} kHz，這是迄今為止對(duì)兩體量子系統(tǒng)結(jié)合能測(cè)定的最精確值。其測(cè)量值與理論預(yù)測(cè)值一致，且精度優(yōu)于以往的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

使用2S(0)到2P_{1/2}(1)間隔的測(cè)量結(jié)果，研究者們確定了里德堡頻率為 cR= 3289841960204(15){stat}(7){syst}(13)_{2S-2P}kHz，這個(gè)過程對(duì)質(zhì)子電荷半徑的值不敏感。這些新的結(jié)果為質(zhì)子尺寸之謎提供了新的討論點(diǎn)。

質(zhì)子尺寸之謎

根據(jù)量子力學(xué)理論，質(zhì)子并非點(diǎn)粒子，而是具有有限尺寸的粒子。然而，質(zhì)子的確切尺寸仍然存在爭(zhēng)議。作者利用最新的氫原子結(jié)合能測(cè)量結(jié)果，結(jié)合量子電動(dòng)力學(xué)理論計(jì)算，對(duì)質(zhì)子尺寸進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，質(zhì)子尺寸可能比之前認(rèn)為的要小，約為0.84飛米，與電子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，但與μ子氫原子光譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在矛盾。

結(jié)論

本文介紹了一種新的精密光譜方法，并將其應(yīng)用于氫原子結(jié)合能的測(cè)量，獲得了迄今為止最精確的結(jié)果。基于上述結(jié)果，作者對(duì)質(zhì)子尺寸進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子尺寸可能比之前認(rèn)為的要小，為進(jìn)一步研究質(zhì)子尺寸之謎提供了重要線索。