image: 不同方法测量精细结构常数结构 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
氦原子作为最简单的多体原子，仅仅依靠物理学基本常数和量子电动力学（QED）理论，可以对其能级结构实现极高精度的计算求解。这使得氦原子成为一个非常好的高精度检验相关理论以及QED本身的平台。而量子电动力学理论是描述电磁相互作用的量子性质的基础理论，它涵盖了从微观粒子到宏观固体的几乎所有物理体系，也是目前物理学中最为精确的理论。
中国科技大学孙羽博士、胡水明教授在《国家科学评论》综述氦原子精密谱实验和理论计算的研究。对基于氦原子精密谱测定精细结构常数、氦同位素核半径、以及检验QED等研究的相关进展和所存在的焦点问题进行了评述。
氦原子精密测量和理论计算各自都有近百年的发展历史。20世纪60年代，理论学家发现氦原子23P能级的精细结构分裂（23P0-23P2），是最好的可用以测定精细结构常数α（约等于1/137）的原子体系。这样一个测量，与物理学中其它测定α值间的对比，成为极好的对物理学内在自洽性的检验。经过50年几代人的努力，加拿大温莎大学的Drake教授和波兰华沙大学的Pachucki教授分别用不同的计算方法，目前已经把氦原子的QED修正计算到了α的7次幂级数。
国际上多个科研机构开展了氦原子精密测量实验工作。作者介绍了近期国际上不同实验组的测量结果，其中包括作者的研究团队所实现的关于氦-4原子2S-2P跃迁频率、23P0-23P2精细结构分裂值，是目前精度最好的实验结果。
目前氦原子的计算理论精度受限于十分复杂的α的8次方阶的QED修正，一方面可能通过理论发展，另一方面也可能通过其他类氦离子的精密测量来探索解决该问题。这将成为对QED的一个极为严格的检验。
此外，氦原子的精密测量还对一系列重要研究有着重要影响。
氦原子光谱可以实现对He原子核半径的测定。而目前氦-3、氦-4核半径之差的测量结果间还存在明显的偏离。这一偏差的原因还未得到解释，该问题的解决将对“质子半径之谜”等基础问题提供重要的参考。
理论上还可精确计算氦原子极化率，并推导出氦气体折射率。由于气体折射率可通过光学方法精密测量，这可成为一个光学测定气体密度（压力）的计量基准方法。相关的技术方法研究已经在美国NIST、德国PTB等单位开展，作者研究团队也承担了相关国内攻关研究。
###
文章信息：
Precision Spectroscopy of Atomic Helium https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa216
Journal
National Science Review