небольшое отклонение тонкой структуры (См.
Тонкая структура) уровней энергии водородоподобных атомов от предсказаний релятивистской квантовой механики, основанных на Дирака уравнении (См.
Дирака уравнение)
. Согласно точному решению этого уравнения, атомные уровни энергии являются двукратно вырожденными: энергии состояний с одинаковым главным квантовым числом
n = 1, 2, 3,... и одинаковым квантовым числом полного момента
j = 1/
2,
3/
2... должны совпадать независимо от двух возможных значений орбитального квантового числа
l =
j ± 1/2 ≤
n-1 (исключая
j +
1/
2 =
n, когда
l = j - 1/
2 = n-1). Однако в 1947 У.
Лэмб и Р. Ризерфорд методом радиоспектроскопии (См.
Радиоспектроскопия) измерили расщепление "вырожденных" уровней
2S1/2 (
n = 2,
l = 0, j = 1/2) и 2
Р1/2 (
n = 2,
l = 1,
j = 1/
2) в атоме водорода - т. н. лэмбовский
сдвиг. Новейшее экспериментальное значение этой величины L
нэксп. = (1058,90 ± 0,06)
Мгц. Теоретически лэмбовский
сдвиг объяснён и вычислен в рамках квантовой электродинамики (См.
Квантовая электродинамика)
. Основной вклад (
Сдвиг уровнейα
3R, где α -
Тонкой структуры постоянная, R - Ридберга постоянная) дают два радиационных эффекта (см.
Радиационные поправки)
; 1) испускание и поглощение связанным электроном виртуальных фотонов (см.
Виртуальные частицы)
, что приводит к изменению эффективной массы электрона и возникновению у него аномального магнитного момента; 2) возможность виртуального рождения и аннигиляции в вакууме электронно-позитронных пар (т. н. поляризация вакуума), что искажает кулоновский потенциал ядра на расстояниях порядка комптоновской длины волны (См.
Комптоновская длина волны) электрона (
Сдвиг уровней 4․10
-11 см)
. Найден также вклад эффектов движения и структуры ядра атома водорода (протона). Современное теоретическое значение лэмбовского сдвига в водороде L
нтеор.= (1058,911 ± 0,012)
Мгц полностью согласуется с экспериментальным, что является блестящим подтверждением основных положений квантовой электродинамики. Хорошо согласуются измеренные и вычисленные сдвиги других уровней, а также в других водородоподобных атомах (D, Не
+ и т. п.).