最近發(fā)表在《物理評論快報》的一篇論文介紹了一種新的精密光譜方法，用于測定雙體量子系統(tǒng)的結(jié)合能。該方法利用量子跳躍技術(shù)，可精確測量原子能級的微小變化。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)合能測量結(jié)果。結(jié)合現(xiàn)有理論計算，他們進一步研究了質(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

氫原子作為最簡單的原子系統(tǒng)，在物理學和化學領(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)，不僅是檢驗量子力學理論的基石，也是理解原子物理和化學的關(guān)鍵。

近年來，隨著實驗技術(shù)的不斷進步，科學家們對氫原子進行了更加深入的研究。在這其中，精密光譜技術(shù)無疑為精確測定氫原子能級提供了極為強大的工具。通過精密光譜技術(shù)，科學家們能夠?qū)湓拥哪芗壗Y(jié)構(gòu)進行高精度的測量，這為理論模型的驗證和對原子行為的深入理解提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

實驗方法

論文作者提出了一種新的精密光譜方法，用于測定雙體量子系統(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。通過精確測量躍遷光子的頻率，即可推導出原子能級的精確值。

實驗結(jié)果

作者將上述方法應(yīng)用于氫原子，通過分析場無關(guān)和場依賴的里德堡-斯塔克態(tài)的光譜位置，研究者們推導出了n=20和24的玻爾能量，以及相對于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超精細分裂的測量，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，這是迄今為止對兩體量子系統(tǒng)結(jié)合能測定的最精確值。其測量值與理論預(yù)測值一致，且精度優(yōu)于以往的實驗結(jié)果。

使用2S(0)到2P_{1/2}(1)間隔的測量結(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，這個過程對質(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。

質(zhì)子尺寸之謎

根據(jù)量子力學理論，質(zhì)子并非點粒子，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議。作者利用最新的氫原子結(jié)合能測量結(jié)果，結(jié)合量子電動力學理論計算，對質(zhì)子尺寸進行了研究。結(jié)果表明，質(zhì)子尺寸可能比之前認為的要小，約為0.84飛米，與電子散射實驗結(jié)果相符，但與μ子氫原子光譜實驗結(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)合能的測量，獲得了迄今為止最精確的結(jié)果?；谏鲜鼋Y(jié)果，作者對質(zhì)子尺寸進行了研究，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子尺寸可能比之前認為的要小，為進一步研究質(zhì)子尺寸之謎提供了重要線索。