લૅમ્બ-રધરફર્ડ પ્રયોગ (Lamb-Rutherford experiment)

લૅમ્બ-રધરફર્ડ પ્રયોગ (Lamb-Rutherford experiment) : હાઇડ્રોજન પરમાણુના ઊર્જાસ્તરો 2s1 અને 2p1 વચ્ચેનો અતિસૂક્ષ્મ તફાવત માપવા માટેનો પ્રસિદ્ધ પ્રયોગ. તે પ્રયોગ 1947માં ઉક્ત બે ભૌતિકશાસ્ત્રીઓએ માઇક્રોતરંગ તક્નીકી (microwave technique) દ્વારા કર્યો હતો.

શ્રોડિંગરના ક્વૉન્ટમ યાંત્રિકી મુજબ હાઇડ્રોજન પરમાણુના ઊર્જાસ્તરોમાં મુખ્ય ક્વૉન્ટમ અંક n = 2 માટે 2s અને 2p અવસ્થાઓ રહેલ હોય છે, જે બંનેની ઊર્જા સમાન હોય છે. આમ, શ્રોડિંગર સમીકરણથી આપોઆપ સૂક્ષ્મ રચના(fine structure)ની સમજૂતી મળતી નથી. 1928માં ડિરાકે સાપેક્ષવાદી ક્વૉન્ટમ યાંત્રિકી આપ્યું. તે અનુસાર n = 2ને અનુરૂપ મુખ્ય ત્રણ ઉપઅવસ્થાઓ , અને શક્ય છે. ડિરાકનું સમીકરણ વર્ણરેખાઓની સૂક્ષ્મ રચનાનો ઉદભવ સમજાવે છે, પરંતુ તે અનુસાર અને સ્તરો સમાન ઊર્જાના હોવા જોઈએ; કારણ કે તે બંનેમાં કુલ કોણીય વેગમાન અંક j = ½ છે. આ મુદ્દા પર પ્રાયોગિક પરિણામો જુદાં પડતાં હતાં. છેવટે લૅમ્બ અને રધરફર્ડના પ્રયોગ દ્વારા આ સમસ્યાનો પ્રાયોગિક ઉકેલ મળી આવ્યો. આ બંને વિજ્ઞાનીઓએ વિચાર્યું કે જો અને ઉપ-અવસ્થાઓ વચ્ચે ઊર્જા-તફાવત અસ્તિત્વ ધરાવતો હોય તોપણ તે અતિસૂક્ષ્મ હોવો જોઈએ. વળી તે બે ઉપ-અવસ્થાઓ વચ્ચે સંક્રમણ (transition) થાય તો તેને અનુરૂપ વિકિરણની આવૃત્તિ રેડિયો-તરંગો (radio-waves) એટલે કે RF અવધિમાં હોય. આમ તેમણે દૃશ્ય-પ્રકાશીય પદ્ધતિઓની જગ્યાએ માઇક્રો તથા રેડિયોતરંગો માટેની પ્રાયોગિક પદ્ધતિઓ અખત્યાર કરી. વધુમાં તેમણે નોંધ્યું કે ઉપર્યુક્ત અવસ્થાઓ વચ્ચેનું સંક્રમણ પ્રેરિત (induced અથવા stimulated) પ્રકારનું હોવું જોઈએ.

આ પ્રયોગમાં એક ઉચ્ચ તાપમાનવાળી ભઠ્ઠીમાં H₂ વાયુમાંથી H-પરમાણુઓ છૂટા પાડીને તે પરમાણુઓની ધારા (beam) ઉત્પન્ન કરવામાં આવી, જેમાં , તેમજ ઉપઅવસ્થાઓ ધરાવતા H-પરમાણુઓ પણ સામેલ હતા. તે ધારાને એક આંતરક્રિયા કક્ષ- (interaction chamber)માંથી પસાર કરીને એક પરખ-ઉપકરણ (detector) પર પડવા દેવામાં આવી. અવસ્થા સ્થિરવત્ (metastable) હોઈ તે પ્રકારના પરમાણુઓ જ ડિટેક્ટર સુધી પહોંચી શકે; અને તુરત જ સંક્રમણ પામી ધરાવસ્થા પ્રાપ્ત કરે. આમ, ડિટેક્ટરમાં 2s1માં રહેલ પરમાણુઓની નોંધ લેવાય તેવી ગોઠવણ કરવામાં આવી. હવે પ્રયોગનો હેતુ અને તેમજ વચ્ચે સંક્રમણ પ્રેરિત કરવાનો હતો. તે માટે આંતરક્રિયા-કક્ષમાં જો યોગ્ય RF આવૃત્તિનું વિદ્યુતક્ષેત્ર લગાડવામાં આવે તો અનુનાદિત સંક્રમણ (resonant transition) દ્વારા ઉપર્યુક્ત બે p-અવસ્થાઓમાં ફેરવાઈ જાય. આ રીતે માં રહેલ H-પરમાણુઓની સંખ્યામાં ઘટાડો થાય, જે ડિટેક્ટરમાં નોંધાઈ જાય. આ તર્ક મુજબ લૅમ્બ અને રધરફર્ડે વિદ્યુત તથા ચુંબકીય ક્ષેત્રની કાળજીપૂર્વકની ગોઠવણી કરીને પ્રયોગો કરી જોયા. તેમણે નિષ્કર્ષ આપ્યો કે H-પરમાણુમાં એ કરતાં સૂક્ષ્મ માત્રામાં ઊંચે રહેલ હોય છે. (જુઓ આકૃતિ.)

તે બંને વચ્ચેનો તફાવત આવૃત્તિ લેખે ગણતાં L = 1,057 મેગાહર્ટ્ઝ (MHz) જેટલો હોય છે, આ મૂલ્યને ‘લૅમ્બ શિફ્ટ’ કહેવામાં આવે છે. આ પ્રયોગનું મહત્વ એ હતું કે તેના દ્વારા સૈદ્ધાંતિક ભૌતિકશાસ્ત્રના વિકાસને વેગ મળ્યો. લૅમ્બ શિફ્ટની સૈદ્ધાંતિક સમજૂતી આપવાના પ્રયત્નમાંથી ક્વૉન્ટમ ઇલેક્ટ્રો-ડાયનૅમિક્સ(QED)નો ઉદભવ અને વિકાસ થવા પામ્યો.

કમલનયન જોશીપુરા