- عنوان کتاب: The Hydrogen Atom Doorway to Quantum Physics, its Symmetries and Radiative Shift
- نویسنده: G Jordan Maclay
- حوزه: فیزیک کوانتومی
- سال انتشار: 2026
- تعداد صفحه: 274
- زبان اصلی: انگلیسی
- نوع فایل: pdf
- حجم فایل: 10.9 مگابایت
درک اتم هیدروژن در قلب فیزیک مدرن قرار دارد. بررسی سطوح انرژی و تقارن بنیادیترین سیستم دوجسمی منجر به پیشرفتهایی در فیزیک اتمی، مکانیک کوانتومی، الکترودینامیک کوانتومی و فیزیک ذرات بنیادی شده است. نظم در طیف هیدروژن اتمی، الهامبخش نظریه اتم بور و آنچه نظریه کوانتومی قدیمی نامیده میشود، بود که ویژگیهای کلی اتم را توصیف میکرد اما رفتار جزئی را توصیف نمیکرد. یکی از موفقیتهای مهم نظریه شرودینگر در مکانیک موج، که حدود سال ۱۹۲۱ معرفی شد، محاسبه جذب و انتشار تابش و اثر استارک مرتبه دوم و سوم در اتم هیدروژن بود. این نظریه غیرنسبیتی موفقیتهای زیادی داشت اما قادر به بررسی ساختار ریز خطوط هیدروژنی نبود، چالشی که توسط نظریه نسبیتی دیراک حل شد، که ساختار ریز را توضیح میداد و مقداری برای مؤلفه اسپین گشتاور مغناطیسی الکترون (g-2) ارائه میداد. آزمایشهای لمب و رادرفورد در سال ۱۹۴۷، مشکلاتی را در نظریه دیراک آشکار کرد، به ویژه اینکه این نظریه به اشتباه پیشبینی میکرد که سطوح 2s1/2 و 2p1/2 منحط هستند. روش بازبهنجارش توسط بته برای محاسبه جابجایی لمب معرفی شد و راه را برای محاسبه اثرات تابشی ناشی از برهمکنش الکترون با میدان تابشی خود یا با نوسانات کوانتومی میدان الکترومغناطیسی، ضمن اجتناب از واگرایی، هموار کرد. این تولد الکترودینامیک کوانتومی (QED) بود، که امروزه یک نظریه بالغ است که سطوح انرژی اتم هیدروژن و گشتاور مغناطیسی غیرعادی الکترون را با دقت بیسابقهای پیشبینی کرده است، دقیقترین نظریه فیزیکی در تاریخ [1، 2]. امروزه، تلاشهای قابل توجهی بر محاسبه جابجاییهای تابشی مرتبه بالاتر متمرکز شده است. با این حال، در این متن، ما بر درک عمیقتری از اتم H و برهمکنش تابشی مرتبه اول که 96٪ از جابجایی را تشکیل میدهد، تمرکز میکنیم. اندازهگیری و توضیح خواص اتم هیدروژن، محور توسعه فیزیک مدرن در قرن گذشته بوده است. یکی از مفیدترین و عمیقترین راهها برای درک خواص آن، از طریق تقارنهای آن است که ما آنها را بررسی میکنیم، با شروع از تقارن هامیلتونی، که منعکس کننده تقارن سطوح منحط است، سپس گروههای بزرگتر غیر ثابت و تولیدکننده طیف، که شامل همه حالتها میشوند. موفقیت در استفاده از تقارن برای بررسی اتم هیدروژن منجر به استفاده از تقارن برای درک و مدلسازی سایر سیستمهای فیزیکی، به ویژه ذرات بنیادی، شد. در بخش 1، نقش تقارن و نظریه گروه را در درک اتم هیدروژن در قرن گذشته مورد بحث قرار میدهیم و برخی از ایدههای اساسی در مورد گروههای تقارن را معرفی میکنیم. ما یک بررسی یکپارچه از تقارنهای اتم هیدروژن کلاسیک و شرودینگر، از جمله گروه تقارن چرخشی چهار بعدی SO(4) (گروه متعامد ویژه در چهار بعد)، که گروه تبهگنی است، ارائه میدهیم، با چرخشهایی در چهار بعد که توسط بردار تکانه زاویهای و بردار رانگ-لنز ایجاد میشوند، که در امتداد محور نیمه بزرگ مدار بیضوی قرار دارند. ما سطوح انرژی را با استفاده از این عملگرهای تقارن محاسبه میکنیم و توابع موج را در فضای پیکربندی و در فضای تکانه سه و چهار بعدی و نحوه تبدیل توابع موج توسط مولدها در نظر میگیریم. ما مجموعهای جدید از توابع موج را معرفی میکنیم که شامل حالتهای مقید و پراکندگی است و از اعداد کوانتومی معمول شرودینگر nlm استفاده میکند. این توابع موج امکان یک رویکرد ساده و یکپارچه برای محاسبات نظریه کوانتومی را فراهم میکنند. حد نیمه کلاسیک توابع موج بررسی میشود.
Understanding the hydrogen atom is at the heart of modern physics. Exploring the energy levels and the symmetry of the most fundamental twobody system has led to advances in atomic physics, quantum mechanics, quantum electrodynamics, and elementary particle physics. Regularities in the spectrum of atomic hydrogen inspired Bohr’s theory of the atom and what has been called the old quantum theory, which described general features of the atom but not detailed behavior. A crucial success of the Schrodinger theory of wave mechanics, which was introduced about 1921, was the calculation of the absorption and emission of radiation and the second and third order Stark effect in the H atom. This nonrelativistic theory had many successes but was unable to deal with the fine structure of the hydrogenic lines, a challenge solved by the relativistic Dirac theory, which explained the fine structure and gave a value for the spin component of the magnetic moment of the electron (g-2). Experiments by Lamb and Retherford in 1947 revealed problems with the Dirac theory, in particular that it incorrectly predicted that the 2s1/2 and 2p1/2 levels were degenerate. The method of renormalization was introduced by Bethe to compute the Lamb shift, paving the way for the computation of radiative effects due to the interaction of the electron with its own radiation field or with the quantum fluctuations of the electromagnetic field, while avoiding divergences. This was the birth of Quantum Electrodynamics (QED), today a mature theory that has predicted the energy levels of the hydrogen atom and the anomalous magnetic moment of the electron to unprecedented precision, the most precise physical theory in history [1, 2]. Today, significant effort has been focused on the calculation of higher-order radiative shifts. However, in this text, we focus on a deeper understanding of the H atom and the first-order radiative interaction that accounts for 96% of the shift. Measurement and explanation of the properties of the hydrogen atom have been central to the development of modern physics over the last century. One of the most useful and profound ways to understand its properties is through its symmetries, which we explore, beginning with the symmetry of the Hamiltonian, which reflects the symmetry of the degenerate levels, then the larger non-invariance and spectrum-generating groups, which include all the states. The successes in using symmetry to explore the hydrogen atom led to the use of symmetry to understand and model other physical systems, particularly elementary particles. In Part 1, we discuss the role of symmetry and group theory in understanding the H atom over the last century, and introduce some basic ideas about symmetry groups. We provide an integrated treatment of the symmetries of the classical and Schr¨odinger hydrogen atom, including the four-dimensional rotational symmetry group SO(4) (special orthogonal group in four dimensions), which is the degeneracy group, with the rotations in four dimensions generated by the angular momentum vector and Runge– Lenz vector, which points along the semi-major axis of the eliptical orbit. We calculate the energy levels using these symmetry operators and consider the wavefunctions in configuration space and in three- and four-dimensional momentum space, and how the wavefunctions are transformed by the generators.We introduce a novel set of wavefunctions that includes both the bound and scattering states and that uses the usual Schrodinger quantum numbers nlm. These wavefunctions allow for a simplified and integrated approach to quantum theory calculations. The semi-classical limit of the wavefunctions is explored.
این کتاب را میتوانید از لینک زیر بصورت رایگان دانلود کنید:

نظرات کاربران