[资料]玻尔的原子结构理论
同能量原子性（能量子）发现的同时，另一个重大发现是物质原子的可分性。18 95年，德国物理学家伦琴(1845—1923年) 发现Ｘ射线。1896年，法国物理学家贝克勒尔(1852—1908年) 发现放射性。1897年，英国物理学家汤姆生(1824—1907年) 发现电子。这三大发现在物理学家当中引起了强烈的震动。道尔顿(1766—1844年) 的化学原子论确立之后，尽管关于原子的实在性还有激烈的争论，但对大多数科学家来说还相信它存在，并把它视为组成一切物质的不可再分的基元。这些新发现向人们表明原子 并不是简单的，可能有复杂的结构。于是一些物理学家开始构成各种原子结构模型，这些模型的主要区别是电荷分布和原子内的电子数目，模型的优劣看其在说明原子的力学和电动力学的稳定性，说明光谱现象以及化学性质等方面的能力如何。例如，1901年法国物理学家佩兰（1870— 1942年）提出的结构模型，认为原子的中心是一些带正电的粒子，外围是一些绕转着的电子，电子绕转的周期对应于原子发射的光谱线频率，最外层的电子抛出就发射阴极射线。又如，汤姆生从1897年就开始探索，到1902年才发表的原子结构模型是由一个承担物质质量的正电球体和能够在其内外过往云游的电子流组成。他又于1903年和 1904年先后发表《圆轨道电子体系的磁性》和《论原子的构造》两篇论文，发展了自己的原子模型。他设想一个正的均匀带电球体内部含有许多电子，它们成环状配置。运用这个模型他详细讨论了原子的稳定性、光谱和化学元素的周期性等问题。 日本物理学家长冈半太郎(1865—1950年)1903年12月 5日在东京数学物理学会上 口头发表，并于1904年分别在日、英、德的杂志上刊登了《说明线状和带状光谱及放射性现象的原子内的电子运动》的论文。他批评了汤姆生的模型，认为正负电不能相互渗透，提出一种他称之为“土星模型”的结构。一个大质量的带正电的球，外围有一圈等间隔分布着的电子以同样的角速度做圆周运动。电子的径向振动发射线光谱，垂直于环面的振动则发射带光谱，环上的电子飞出是β射线，中心球的正电粒子飞出是α射线。长冈的计算，特别是关于稳定性的论断受到批评。因此当时流行的还是汤 姆生的模型。德国的哈斯在1910年的一篇论文中，把能量子概念和汤姆生的原子模型结合起来。汤姆生的学生，曼彻斯特大学物理教授卢瑟福(1871—1937年) ，领导在他的实验室工作的德国物理学家盖革(1882—1945年) 和新西兰物理学家马斯登(1880—1970年) ，发现金原子使α射线产生大于90°的散射角，与汤姆生的小角散射理论不同。他们在19 09年进行的大角散射实验结果却表明有一个很小的带正电的核心，周围好像空荡荡的，直接否定了汤姆生的原子结构模型。于是卢瑟福开始根据他的实验资料探索新的原子结构模型，于1911年提出了一个多少有点类似于佩兰和长冈的电子绕核回转的模型。卢瑟福的有核模型在电稳定性和线光谱的说明上遇到了困难。按照古典电动力学电子绕核回转会发射连续的电磁波，因而损失能量并且很快就陷落到原子核上，那么，如何解决卢瑟福的原子模型有实验根据，但却与古典理论不符这个尖锐矛盾呢？这是当 时原子物理学家面临的难题。玻尔(1885—1962年) 勇敢地选择了卢瑟福的模型。玻尔出生在哥本哈根的一个教授家庭，1911年获哥本哈根大学博士学位。1912年3—7月曾在卢瑟福的实验室进修，就在这进修期间孕育了他的原子理论。玻尔首先把普朗克的量子假说推广到原子内部的能量，来解决卢瑟福原子模型在稳定性方面的困难，假定原子只能通过分立的能量子来改变它的能量，也就是说原子只能处在分立的定态之中，而且最低的定态就是原子的正常态。接着他在友人汉森的启发下从光谱线的组合定律达到定态跃迁的概念。于是在1913年7、9和11月发表了长篇论文《论原子构造和分子构造》的三个部分。玻尔的原子理论给出这样的原子图像：电子在一些特定的可能轨道上绕核作圆周运动， 离核愈远能量愈高；可能的轨道由电子的角动量必须是 h/2π的整数倍决定；当电子 在这些可能的轨道上运动时原子不发射也不吸收能量，只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时原子才发射或吸收能量，而且发射或吸收的辐射是单频的，辐射的频率 和能量之间关系由 E＝hy 给出。
玻尔的理论成功地说明了原子的稳定性和氢原子光谱 线规律。玻尔的理论大大扩展了量子论的影响，加速了量子论的发展。1915年，德国物理学家索末菲(1868—1951年) 把玻尔的原子理论推广到包括椭圆轨道，并考虑了电子的质量随其速度而变化的狭义相对论效应，导出光谱的精细结构同实验相符。1916年，爱因斯坦从玻尔的原子理论出发用统计的方法分析了物质的吸收和发射辐射的过程，导出了普朗克辐射定律。爱因斯坦的这一工作综合了量子论第一阶段的成就，把普朗 克、爱因斯坦、玻尔三人的工作结合成一个整体。
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狄拉克方程
1928年英国物理学家狄拉克（Paul Adrien MauriceDirac）提出了一个电子运动的相对论性量子力学方程，即狄拉克方程。利用这个方程研究氢原子能级分布时，考虑有自旋角动量的电子作高速运动时的相对论性效应，给出了氢原子能级的精细结构，与实验符合得很好。从这个方程还可自动导出电子的自旋量子数应为1/2，以及电子自旋磁矩与自旋角动量之比的朗德g 因子为轨道角动量情形时朗德g 因子的2倍。电子的这些性质都是过去从分析实验结果中总结出来的，并没有理论的来源和解释。狄拉克方程却自动地导出这些重要基本性质，是理论上的重大进展。利用这个方程还可以讨论高速运动电子的许多性质，这些结果都与实验符合得很好。这些成就促使人们相信狄拉克方程是一个正确地描写电子运动的相对论性量子力学方程。
既然实验已充分验证了狄拉克方程的正确，人们自然期望利用狄拉克方程预言新的物理现象。按照狄拉克方程给出的结果，电子除了有能量取正值的状态外，还有能量取负值的状态，并且所有正能状态和负能状态的分布对能量为零的点是完全对称的。自由电子最低的正能态是一个静止电子的状态，其能量值是一个电子的静止能量，其他的正能态的能量比一个电子的静止能量要高，并且可以连续地增加到无穷。与此同时，自由电子最高的负能态的能量值是一个电子静止能量的负值，其他的负能态的能量比这个能量要低，并且可以连续地降低到负无穷。这个结果表明：如果有一个电子处于某个正能状态，则任意小的外来扰动都有可能促使它跳到某个负能状态而释放出能量。同时由于负能状态的分布包含延伸到负无穷的连续谱，这个释放能量的跃迁过程可以一直持续不断地继续下去，这样任何一个电子都可以不断地释放能量，成为永动机，这在物理上显然是完全不合理的。
针对这个矛盾，1930年狄拉克提出一个理论，被称为空穴理论。这个理论认为由于电子是费米子，满足泡利不相容原理，每一个状态最多只能容纳一个电子，物理上的真空状态实际上是所有负能态都已填满电子，同时正能态中没有电子的状态。因为这时任何一个电子都不可能找到能量更低的还没有填入电子的能量状态，也就不可能跳到更低的能量状态而释放出能量，也就是说不能输出任何信号，这正是真空所具有的物理性质。按照这个理论，如果把一个电子从某一个负能状态激发到一个正能状态上去，需要从外界输入至少两倍于电子静止能量的能量。这表现为可以看到一个正能状态的电子和一个负能状态的空穴。这个正能状态的电子带电荷-e ，所具有的能量相当于或大于一个电子的静止能量。按照电荷守恒定律和能量守恒定律的要求，这个负能状态的空穴应该表现为一个带电荷为+e的粒子，这个粒子所具有的能量应当相当于或大于一个电子的静止能量。这个粒子的运动行为是一个带正电荷的
“电子”，即正电子。狄拉克的理论预言了正电子的存在。
1932年美国物理学家安德森（Carl David Anderson）在宇宙线实验中观察到高能光子穿过重原子核附近时，可以转化为一个电子和一个质量与电子相同但带有的是单位正电荷的粒子，从而发现了正电子，狄拉克对正电子的这个预言得到了实验的证实。正电子的发现表明对于电子来说，正负电荷还是具有对称性的。狄拉克的空穴理论给出了反粒子的概念，正电子是电子的反粒子
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兰姆位移与电子磁矩http://tieba.baidu.com/f?kz=272335083
兰姆在氢谱精细结构的研究中发现了兰姆位移；库什在精密测定电子磁矩中发现了反常电子磁矩。两者都对量子电动力学的发展起过重大的推动作用。
这两位获奖者都是在第二次世界大战前不久进入哥伦比亚大学辐射实验室的。两人都是拉比的追随者和合作者。不过兰姆先是从事理论研究，发表过多篇论文。库什则直接参与了拉比的磁共振方法研究。兰姆和库什都在第二次世界大战期间从事过雷达技术的工作，从而促使他们对微波有所了解，并在后来的工作中用到这一关键技术。他们两人分别领导一个实验小组，工作于同一实验室里，在同一年完成并且可以用同样的原理来解释各自的发现，这一原理就是关于电子与电磁辐射相互作用的理论。
兰姆的发现与氢原子有关，氢原子中有一个电子，沿一系列的轨道绕其核旋转，每条轨道相应于确定的能量。各能级都具有精细结构，长期以来，精细结构的解释是用狄拉克的相对论性量子力学，并且得到了公认。然而，用光学方法验证狄拉克的精细结构理论，历经一二十年，始终未获成功。
兰姆了解到这一检验的重要性，就在战后对精细结构进行了细致的研究。他改进了拉比的磁共振方法，在理论上作了充分的准备。在雷瑟福（R.C.Retherford ）的协助下，经过多次失败，终于在1947年取得了决定性的结果，发现了以他的名字命名的兰姆位移。
发现兰姆位移的意义，需要追溯到上一世纪。
氢光谱作为最典型、最简单的一种原子光谱，它的研究历时不止100年。1885年巴耳末发现14根氢谱线的波长可以用一简单的公式表示，这就是巴耳末公式。但随后不久，1887年迈克耳孙和莫雷发现这一谱系的第一条谱线H α线有精细结构，当时由于谱线本底太强，无法分辨结构的细节，只能认为是由双线组成。后人根据谱线强度的包络线作出种种猜测，例如，有人认为是里面包含有五条强度不等的细线。1913年，玻尔提出定态跃迁原子模型，成功地推出了巴耳末公式，然而仍不能解释精细结构。1916年索未菲对玻尔理论作了相对论修正，计算出了双线的理论值，与实验所得基本吻合。1926年，海森伯等人用量子力学计算能级，与索末菲稍有出入。1928年狄拉克用相对论量子力学，考虑到自旋-轨道耦合，提出狄拉克方程，可以描述氢原子的能级。据此得出氢谱H α的精细结构。只是由于与H α有关的能级中22S1/2和22P1/2，32S1/2和32P1/2，32P3/2和32D3/2能级分别相等，所
以实际上H α只有五个成分。
为了检验狄拉克理论的预计，人们对氢谱结构作了大量光谱学实验，均未有定论。其中只有加州理工学院的豪斯顿（W.V .Houston ）和谢玉铭的氢谱实验取得了明确的结论，他们的实验结果表明，氢谱的双线间隔比狄拉克理论预计的大约窄了3％，超出了实验误差，并且指出，可能是狄拉克未考虑电子与辐射场的相互作用所致。据此，帕斯特奈克（S.Pasternack ）提出，只要假设子能级22S1/2比22P1/2高0.033cm-1，就可以使这一分歧解除。
1945年夏季，兰姆从文献中得知曾有人试图检测气体放电中氢原子的短波射频吸收，却由于微波技术欠佳而未获成功。现在，微波技术发展了，应该能够做出判决性的结果，于是他就说服了他的学生雷瑟福和他一起做这件事情。然而，开始的实验都不成功，气体放电中氢原子的短波射频吸收受到强烈的干扰。兰姆分析，必需创造一种条件，以便利用氢原子中可能具有的亚稳性的22S1/2态来做实验，当氢原子发生射频辐射而跃迁到22P1/2态时，亚稳性将会消失，大约在10-9秒内发出辐射而回到基态，就可以使亚稳态原子减少。
他们的实验方案可以用下列方框图来表示：
eq \x(H2离解顺) —eq \x(电子轰击器) —eq \x(射频区域) —eq \x(检测器)
兰姆和雷瑟福经过几次失败后，终于建立了成功的实验装置（图55－1）。氢气输入2 500K高温的加热炉中约有64％的氢分子离解，形成氢原子束，在输出的途中被加速到10.2eV 的横向电子束激发到n ＝2的各个状态。而处于22P1/2，22P3/2态的氢原子在很短的时间内就会自发地跃迁到基态12S1/2，处于22S1/2态的氢原子受选择定则的限制不能作这样的跃迁，因而形成亚稳态。当亚稳态和基态氢原子打到钨接收板时，因为钨的逸出功小于10.2eV ，亚稳态氢原子有足够的能量使之电离，而基态氢原子则不能。另有一集电极A 对P 保持3V －4V 电压，从P 逸出的电子被集电极收集形成集电极电流，送往静电计测量。
从电子轰击器发出的氢原子束还要经过一个射频区域，这是磁共振方法的基本部件，由电磁铁和微波系统组成。电磁铁提供0.3T 以上的连续可调的恒定磁场。其作用是使氢原子产生塞曼能级分裂。微波系统可使氢原子产生2S 和2P 态的塞曼能级之间的共振跃迁。不同的磁场强度相应于不同的共振频率，这样就可以通过调整磁场强度，选择共振频率。微波的频率则是固定的。共振时，2S 亚稳态氢原子由于跃迁到2P 态而减少。
兰姆和雷瑟福的实验结果确切地证明了根据狄拉克理论计算的共振频率与实际测量的共振频率相差为1000 MHz，正好等于预期的位移值0.033 cm-1。进一步改进设备和测量方法后，兰姆和雷瑟福得到的谱线移动为1057.77±0.10MHz 。
按量子电动力学的计算，氢原子n ＝2兰姆位移的理论值为1057.56±0.10 MHz，两者相符甚好。
兰姆在其它方面还有许多贡献，下面略择两个方面：
兰姆在研究核外电子对外磁场的屏蔽作用时，凝聚态中的核磁共振现象还未被发现。然而，在拉比的分子束磁共振实验中，需要准确地知道外场在核处的有效场应该是多少。为了解决
这个问题，兰姆发表了著名的核磁屏蔽公式。兰姆的物理思想十分简明。处于外磁场的核外电子在以核为球心的球壳上绕磁场方向运动，从而在球心处形成一个与外场相反的磁场，而削弱了外场的作用，即称为核磁屏蔽。10年后，拉姆齐（N.F.Ramsey ）用量子力学的演算证明了兰姆屏蔽项的存在，兰姆简明的物理概念在讨论化学位移中的电子密度效应及芳香环流等效应时特别适用。
二是发现了所谓的兰姆凹陷。兰姆凹陷可用于激光稳频。激光器发明两年后，1962年，兰姆正在耶鲁大学，他对氦氖激光器作了一番理论分析。目的是想要根据原子在电磁场作用下振荡的经典模型，计算激光强度随空腔参数改变的关系。他原来预计，空腔原子有一定的自然跃迁频率，当空腔频率与原子跃迁频率一致时，会因为谐振而使激光强度达最高值。可是出乎他的意料，计算所得的曲线却在谐振处呈现极小值，形成一凹陷。他花了许多时间反复核算，没有找出错误，肯定计算是正确的。当时，兰姆并不知道这就是由于饱和和多普勒频宽引起烧孔效应的后果（不久就清楚了），但是他敏感地预见到，这一凹陷有助于频率的稳定，因为他在理论计算中参考了20年代电子学家范德波尔（van der Pol）关于多频振荡器的理论，这一理论证明只要满足一定条件就可以出现频率锁定现象。兰姆作出理论预测后，并没有马上发表，而是将手稿寄给激光器的另外两位先驱，贾万（A.Javan ）和本勒特（Bennett ），请他们发表意见。贾万回信说，他虽然没有观察到这个现象，但相信会有，因为他曾观察到与之有关的推频效应。本勒特则把自己的实验记录寄给兰姆，他在激光输出随调谐频率变化的曲线中没有找到凹陷信号，表示对此没有信心。他所在的贝尔实验室有一位同事叫麦克发伦（R.A.McFarlane ），得知后对这个问题产生了兴趣，主动承担起实验研究的工作。他用磁致伸缩方法使氦氖激光器的光学腔改变长度，从而调整谐振频率，开始时，他的激光管中用的是自然丰度的气体（氖的成分为20Ne ，90.92％；21Ne ，0.26％；22Ne ，8.82％），在谐振曲线上也没有观察到凹陷，但他注意到曲线有些不对称，似乎是两种频率叠加而成的。他意识到这可能是氖的同位素效应，于是在贾万的帮助下，做了22Ne （纯度达99.5％）的氦氖激光器，果然，在中心频率附近出现了微浅的凹陷信号。功率加大后，凹陷随之变深，形成明显的鸵峰曲线。于是，麦克发伦、本勒特和兰姆三人联名于1963年发表了实验结果，正式宣布兰姆凹陷的存在。与此同时，贾万也发表了类似报告。从此，单模稳频氦氖激光器登上了精密计量工作的舞台，在长度和频率的计量中发挥了重要作用，并且开辟了激光稳频的广阔领域
兰姆1913年7月12日出生于美国加利福尼亚州的洛杉矶。父亲是一位电话工程师。1930年兰姆进入伯克利加州大学，1934年获化学学士学位。随后在奥本海默的指导下研究理论物理学，1934年获博士学位，博士论文题目与核系统的电磁特性有关。1938年兰姆来到哥伦比亚大学当物理学教师。1947年任副教授，1948年升教授。从1943年到1951年兰姆在哥伦比亚大学辐射实验室工作，在这里完成了与诺贝尔物理学奖有关的工作。
库什1911年1月26日出生于德国的布兰肯堡（Blankenburg ），他是传教士的儿子。1912年起全家迁到美国，成了美国公民，定居于俄亥俄州克利夫兰。他原先的打算是学化学，但当他一开始进入凯斯技术学院学习时，志向就转移到了物理方面，1931年获学士学位，然后进伊利诺斯大学攻读博士学位。1936年以分子光谱学获博士学位。1936年—1937年到明尼苏达大学做质谱学工作，1937年起加入哥伦比亚大学。第二次世界大战期间库什离开学校，到威斯汀豪斯公司、贝尔电话实验室研制微波发生器，由此不但熟悉了微波方面的知识，而且掌握了真空管技术，取得了宝贵经验，因为这是从事实验物理学研究必不可少的基本前提。
1949年库什任哥伦比亚大学教授。从最初的工作开始，他就追随拉比，和他一起用分子束磁共振方法从事原子分子和核物理方面的研究，因此成了拉比学派中重要的一员。他本人的研究方向主要是对原子分子组成成分之间以及与外加场的相互作用进行深入的探讨。确定电子的反常磁矩的真实性并精确测定其数值的工作只是他战后原子分子束研究这一广泛课题的一部分。他对化学物理学也颇有兴趣，并运用分子束技术研究这方面的问题。
1925年乌兰贝克（G .E ，Uhlenbeck ）和古德斯密（S.A.Goudsmit ）为了解释从光谱实验得到的数据，曾提出过两个假设：（1）电子具有内禀角动量；（2）电子具有磁偶极矩，等于eh/4πmc ，即玻尔磁子μB 。1928年狄拉克提出的相对论性量子力学把他们的假设自动地包括在内。不过，狄拉克理论并没有考虑量子化电磁场与电子的相互作用。
电子磁矩（以玻尔磁子为单位）与其角动量（以h/2π为单位）之比通称g 因子。gL 表示电子的轨道g 因子，而gs 表示电子自旋的g 因子。根据狄拉克电子理论，gs 等于2。
早在库什开始参加拉比小组，在拉比的指导下工作时，他们在1939年就联名发表过一篇关于测定核的g 值的分子束磁共振方法的论文。
1947年初拉比和一些合作者发现，氢能级的超精细结构也与狄拉克理论不完全符合。伯莱特（G.Breit ）建议，可能是电子的磁矩与玻尔磁子有微小差别所致，也就是说，他怀疑电子的g 值是否正好等于2。
于是库什决定对这个问题作一判决性实验。他和弗利（H.Foley ）用分子束磁共振方法做了一系列精确实验。他们以镓和钠为对象以射频激励原子能级，1948年宣布，电子的内禀磁矩不是精确地等于1个玻尔磁子，而是等于1.001 19±0.00005玻尔磁子，或者说电子的g 因子不等于 2，而是等于gs=2（1.00119±0.00005）。
正好就在这个时候，施温格（J.Schwinger ）在同一期《物理评论》上发表了他用量子电动力学所得的理论计算结果为：gs ＝2×1.0016。
这一巧合表明量子电动力学在一开始就得到了电子反常磁矩的精确验证。库什于1955年与兰姆共同获得了诺贝尔物理学奖，而施温格则与朝永振一郎及费因曼因创建量子电动力学共同获得1965年诺贝尔物理学奖。
[资料]氢光谱精细结构
氢原子是人们最了解的原子之一，从氢原子的光谱线中人们掌握了有关电子的许多知识。如果用精确度为零点几埃的光谱仪来观测氢原子的光谱线系，得到的结果与玻尔理论和薛定谔方程预言的能级十分吻合。但是，改进实验方法，提高光谱仪的分辨率，就会看到氢原子光谱的精细结构。1928年，狄拉克指出：氢原子处在2S1/2和2P1/2两种状态时，应该具有相同的能量。兰姆采用微波共振方法，让微波通过处于一种状态的氢原子，使其转化到另一种状态。由于微波的能量被吸收了，因此这两种状态应该具有不同的能量。兰姆还利用微波共振方法直接测出了与这一能量差相应的频率：1077.77±0.01兆赫兹，后人把这个能级差
称为兰姆移位。现在的理论认为，这一移位是由于量子化的电子场与电子场之间的高次相互作用引起的，即所谓的“辐射修正”。从同一实验得到的另一个重要测量结果是精细结构常数a 的精确值，这是量子电动力学中出现的一个引人注目的无量纲数，当时兰姆测量得到的结果是a=1/(137.0365±0.0012)
[资料]超精细结构
hyperfine structure
由于核磁矩和核电四极矩引起的原子能级和光谱的多重分裂，须用分辨本领很高的分光仪器观测。许多核具有自旋I ，伴随之具有磁矩。核磁矩与电子之间的相互作用造成能级分裂。核磁矩很小，能级的分裂也很小。超精细结构能级由电子总角动量量子数J 、核自旋I 和包括核自旋的总角动量量子数F 来标记。能级间隔遵从类似的朗德间隔定则。许多核还有电四极矩，核电四极矩与电子在核处所产生的电场梯度相互作用引起能量的微小改变，叠加在磁矩引起的超精细结构上，使分裂偏离朗德间隔定则。能级的超精细结构造成光谱线的超精细结构。根据实验测得的光谱线的超精细结构，可以确定原子核的自旋和电四极矩。因原子核同位素质量不同而观察到的光谱多重结构称为同位素效应，不属于超精细结构，它只造成谱线的平移，不影响超精细结构的能级间隔。
[资料]氢原子光谱
1913年丹麦物理学家玻尔为解决卢瑟福原子行星模型的不稳定（按经典理论，原子中电子绕原子核作圆周运动要辐射能量，导致轨道半径缩小直到跌落进原子核，与正电荷中和），提出定态假设：原子中的电子并不像行星一样可在任意经典力学的轨道上运转，稳定轨道的作用量fpdq 必须为h 的整数倍（角动量量子化），即fpdq ＝nh ，n 称之为量子数。玻尔又提出原子发光过程不是经典辐射，是电子在不同的稳定轨道态之间的不连续的跃迁过程，光的频率由轨道态之间的能量差AE ＝hV 确定，即频率法则。这样，玻尔原子理论以它简单明晰的图像解释了氢原子分立光谱线，并以电子轨道态直观地解释了化学元素周期表，导致了72号元素铅的发现，在随后的短短十多年内引发了一系列的重大科学进展。这在物理学史上是空前的。
由于量子论的深刻内涵，以玻尔为代表的哥本哈根学派对此进行了深入的研究，他们对对应原理、矩阵力学、不相容原理、测不准关系、互补原理。量子力学的几率解释等都做出了贡献。
1923年4月美国物理学家康普顿发表了X 射线被电子散射所引起的频率变小现象，即康普顿效应。按经典波动理论，静止物体对波的散射不会改变频率。而按爱因斯坦光量子说这是两个“粒子”碰撞的结果。光量子在碰撞时不仅将能量传递而且也将动量传递给了电子，使光量子说得到了实验的证明。
光不仅仅是电磁波，也是一种具有能量动量的粒子。1924年美籍奥地利物理学家泡利发表了“不相容原理”：原子中不能有两个电子同时处于同一量子态。这一原理解释了原子中电子的壳层结构。这个原理对所有实体物质的基本粒子（通常称之为费米子，如质子、中
子、夸克等）都适用，构成了量子统计力学———费米统计的基点。为解释光谱线的精细结构与反常塞曼效应，泡利建议对于原于中的电子轨道态，除了已有的与经典力学量（能量、角动量及其分量）对应的三个量子数之外应引进第四个量子数。这个量子数后来称为“自旋”，是表述基本粒子一种内在性质的物理量。
氢原子光谱可用下式表示：
1/λ=R[1/(n1)^2-1/(n2)^2]
n1=1 n2=2，3，4... 赖曼线系 紫外区
n1=2 n2=3，4，5... 巴耳麦线系 可见光区
n1=3 n2=4，5，6... 帕邢线系 红外区
n1=4 n2=5，6，7... 布喇开线系 红外区
n1=5 n2=6，7，8... 逢德线系 红外区
[资料]玻尔的原子结构理论
同能量原子性（能量子）发现的同时，另一个重大发现是物质原子的可分性。18 95年，德国物理学家伦琴(1845—1923年) 发现Ｘ射线。1896年，法国物理学家贝克勒尔(1852—1908年) 发现放射性。1897年，英国物理学家汤姆生(1824—1907年) 发现电子。这三大发现在物理学家当中引起了强烈的震动。道尔顿(1766—1844年) 的化学原子论确立之后，尽管关于原子的实在性还有激烈的争论，但对大多数科学家来说还相信它存在，并把它视为组成一切物质的不可再分的基元。这些新发现向人们表明原子 并不是简单的，可能有复杂的结构。于是一些物理学家开始构成各种原子结构模型，这些模型的主要区别是电荷分布和原子内的电子数目，模型的优劣看其在说明原子的力学和电动力学的稳定性，说明光谱现象以及化学性质等方面的能力如何。例如，1901年法国物理学家佩兰（1870— 1942年）提出的结构模型，认为原子的中心是一些带正电的粒子，外围是一些绕转着的电子，电子绕转的周期对应于原子发射的光谱线频率，最外层的电子抛出就发射阴极射线。又如，汤姆生从1897年就开始探索，到1902年才发表的原子结构模型是由一个承担物质质量的正电球体和能够在其内外过往云游的电子流组成。他又于1903年和 1904年先后发表《圆轨道电子体系的磁性》和《论原子的构造》两篇论文，发展了自己的原子模型。他设想一个正的均匀带电球体内部含有许多电子，它们成环状配置。运用这个模型他详细讨论了原子的稳定性、光谱和化学元素的周期性等问题。 日本物理学家长冈半太郎(1865—1950年)1903年12月 5日在东京数学物理学会上 口头发表，并于1904年分别在日、英、德的杂志上刊登了《说明线状和带状光谱及放射性现象的原子内的电子运动》的论文。他批评了汤姆生的模型，认为正负电不能相互渗透，提出一种他称之为“土星模型”的结构。一个大质量的带正电的球，外围有一圈等间隔分布着的电子以同样的角速度做圆周运动。电子的径向振动发射线光谱，垂直于环面的振动则发射带光谱，环上的电子飞出是β射线，中心球的正电粒子飞出是α射线。长冈的计算，特别是关于稳定性的论断受到批评。因此当时流行的还是汤 姆生的模型。德国的哈斯在1910年的一篇论文中，把能量子概念和汤姆生的原子模型结合起来。汤姆生的学生，曼彻斯特大学物理教授卢瑟福(1871—1937年) ，领导在他的实验室工作的德国物理学家盖革(1882—1945年) 和新西兰物理学家马斯登(1880—1970年) ，发现金原子使α射线产生大于90°的散射角，与汤姆生的小角散射理论不同。他们在19 09年进行的大角散射实验结果却表明有一个很小的带正电的核心，周围好像空荡荡的，直接否定了汤姆生的原子结构模型。于是卢瑟福开始根据他的实验资料探索新的原子结构模型，于1911年提出了一个多少有点类似于佩兰和长冈的电子绕核回转的模型。卢瑟福的有核模型在电稳定性和线光谱的说明上遇到了困难。按照古典电动力学电子绕核回转会发射连续的电磁波，因而损失能量并且很快就陷落到原子核上，那么，如何解决卢瑟福的原子模型有实验根据，但却与古典理论不符这个尖锐矛盾呢？这是当 时原子物理学家面临的难题。玻尔(1885—1962年) 勇敢地选择了卢瑟福的模型。玻尔出生在哥本哈根的一个教授家庭，1911年获哥本哈根大学博士学位。1912年3—7月曾在卢瑟福的实验室进修，就在这进修期间孕育了他的原子理论。玻尔首先把普朗克的量子假说推广到原子内部的能量，来解决卢瑟福原子模型在稳定性方面的困难，假定原子只能通过分立的能量子来改变它的能量，也就是说原子只能处在分立的定态之中，而且最低的定态就是原子的正常态。接着他在友人汉森的启发下从光谱线的组合定律达到定态跃迁的概念。于是在1913年7、9和11月发表了长篇论文《论原子构造和分子构造》的三个部分。玻尔的原子理论给出这样的原子图像：电子在一些特定的可能轨道上绕核作圆周运动， 离核愈远能量愈高；可能的轨道由电子的角动量必须是 h/2π的整数倍决定；当电子 在这些可能的轨道上运动时原子不发射也不吸收能量，只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时原子才发射或吸收能量，而且发射或吸收的辐射是单频的，辐射的频率 和能量之间关系由 E＝hy 给出。
玻尔的理论成功地说明了原子的稳定性和氢原子光谱 线规律。玻尔的理论大大扩展了量子论的影响，加速了量子论的发展。1915年，德国物理学家索末菲(1868—1951年) 把玻尔的原子理论推广到包括椭圆轨道，并考虑了电子的质量随其速度而变化的狭义相对论效应，导出光谱的精细结构同实验相符。1916年，爱因斯坦从玻尔的原子理论出发用统计的方法分析了物质的吸收和发射辐射的过程，导出了普朗克辐射定律。爱因斯坦的这一工作综合了量子论第一阶段的成就，把普朗 克、爱因斯坦、玻尔三人的工作结合成一个整体。
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狄拉克方程
1928年英国物理学家狄拉克（Paul Adrien MauriceDirac）提出了一个电子运动的相对论性量子力学方程，即狄拉克方程。利用这个方程研究氢原子能级分布时，考虑有自旋角动量的电子作高速运动时的相对论性效应，给出了氢原子能级的精细结构，与实验符合得很好。从这个方程还可自动导出电子的自旋量子数应为1/2，以及电子自旋磁矩与自旋角动量之比的朗德g 因子为轨道角动量情形时朗德g 因子的2倍。电子的这些性质都是过去从分析实验结果中总结出来的，并没有理论的来源和解释。狄拉克方程却自动地导出这些重要基本性质，是理论上的重大进展。利用这个方程还可以讨论高速运动电子的许多性质，这些结果都与实验符合得很好。这些成就促使人们相信狄拉克方程是一个正确地描写电子运动的相对论性量子力学方程。
既然实验已充分验证了狄拉克方程的正确，人们自然期望利用狄拉克方程预言新的物理现象。按照狄拉克方程给出的结果，电子除了有能量取正值的状态外，还有能量取负值的状态，并且所有正能状态和负能状态的分布对能量为零的点是完全对称的。自由电子最低的正能态是一个静止电子的状态，其能量值是一个电子的静止能量，其他的正能态的能量比一个电子的静止能量要高，并且可以连续地增加到无穷。与此同时，自由电子最高的负能态的能量值是一个电子静止能量的负值，其他的负能态的能量比这个能量要低，并且可以连续地降低到负无穷。这个结果表明：如果有一个电子处于某个正能状态，则任意小的外来扰动都有可能促使它跳到某个负能状态而释放出能量。同时由于负能状态的分布包含延伸到负无穷的连续谱，这个释放能量的跃迁过程可以一直持续不断地继续下去，这样任何一个电子都可以不断地释放能量，成为永动机，这在物理上显然是完全不合理的。
针对这个矛盾，1930年狄拉克提出一个理论，被称为空穴理论。这个理论认为由于电子是费米子，满足泡利不相容原理，每一个状态最多只能容纳一个电子，物理上的真空状态实际上是所有负能态都已填满电子，同时正能态中没有电子的状态。因为这时任何一个电子都不可能找到能量更低的还没有填入电子的能量状态，也就不可能跳到更低的能量状态而释放出能量，也就是说不能输出任何信号，这正是真空所具有的物理性质。按照这个理论，如果把一个电子从某一个负能状态激发到一个正能状态上去，需要从外界输入至少两倍于电子静止能量的能量。这表现为可以看到一个正能状态的电子和一个负能状态的空穴。这个正能状态的电子带电荷-e ，所具有的能量相当于或大于一个电子的静止能量。按照电荷守恒定律和能量守恒定律的要求，这个负能状态的空穴应该表现为一个带电荷为+e的粒子，这个粒子所具有的能量应当相当于或大于一个电子的静止能量。这个粒子的运动行为是一个带正电荷的
“电子”，即正电子。狄拉克的理论预言了正电子的存在。
1932年美国物理学家安德森（Carl David Anderson）在宇宙线实验中观察到高能光子穿过重原子核附近时，可以转化为一个电子和一个质量与电子相同但带有的是单位正电荷的粒子，从而发现了正电子，狄拉克对正电子的这个预言得到了实验的证实。正电子的发现表明对于电子来说，正负电荷还是具有对称性的。狄拉克的空穴理论给出了反粒子的概念，正电子是电子的反粒子
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兰姆位移与电子磁矩http://tieba.baidu.com/f?kz=272335083
兰姆在氢谱精细结构的研究中发现了兰姆位移；库什在精密测定电子磁矩中发现了反常电子磁矩。两者都对量子电动力学的发展起过重大的推动作用。
这两位获奖者都是在第二次世界大战前不久进入哥伦比亚大学辐射实验室的。两人都是拉比的追随者和合作者。不过兰姆先是从事理论研究，发表过多篇论文。库什则直接参与了拉比的磁共振方法研究。兰姆和库什都在第二次世界大战期间从事过雷达技术的工作，从而促使他们对微波有所了解，并在后来的工作中用到这一关键技术。他们两人分别领导一个实验小组，工作于同一实验室里，在同一年完成并且可以用同样的原理来解释各自的发现，这一原理就是关于电子与电磁辐射相互作用的理论。
兰姆的发现与氢原子有关，氢原子中有一个电子，沿一系列的轨道绕其核旋转，每条轨道相应于确定的能量。各能级都具有精细结构，长期以来，精细结构的解释是用狄拉克的相对论性量子力学，并且得到了公认。然而，用光学方法验证狄拉克的精细结构理论，历经一二十年，始终未获成功。
兰姆了解到这一检验的重要性，就在战后对精细结构进行了细致的研究。他改进了拉比的磁共振方法，在理论上作了充分的准备。在雷瑟福（R.C.Retherford ）的协助下，经过多次失败，终于在1947年取得了决定性的结果，发现了以他的名字命名的兰姆位移。
发现兰姆位移的意义，需要追溯到上一世纪。
氢光谱作为最典型、最简单的一种原子光谱，它的研究历时不止100年。1885年巴耳末发现14根氢谱线的波长可以用一简单的公式表示，这就是巴耳末公式。但随后不久，1887年迈克耳孙和莫雷发现这一谱系的第一条谱线H α线有精细结构，当时由于谱线本底太强，无法分辨结构的细节，只能认为是由双线组成。后人根据谱线强度的包络线作出种种猜测，例如，有人认为是里面包含有五条强度不等的细线。1913年，玻尔提出定态跃迁原子模型，成功地推出了巴耳末公式，然而仍不能解释精细结构。1916年索未菲对玻尔理论作了相对论修正，计算出了双线的理论值，与实验所得基本吻合。1926年，海森伯等人用量子力学计算能级，与索末菲稍有出入。1928年狄拉克用相对论量子力学，考虑到自旋-轨道耦合，提出狄拉克方程，可以描述氢原子的能级。据此得出氢谱H α的精细结构。只是由于与H α有关的能级中22S1/2和22P1/2，32S1/2和32P1/2，32P3/2和32D3/2能级分别相等，所
以实际上H α只有五个成分。
为了检验狄拉克理论的预计，人们对氢谱结构作了大量光谱学实验，均未有定论。其中只有加州理工学院的豪斯顿（W.V .Houston ）和谢玉铭的氢谱实验取得了明确的结论，他们的实验结果表明，氢谱的双线间隔比狄拉克理论预计的大约窄了3％，超出了实验误差，并且指出，可能是狄拉克未考虑电子与辐射场的相互作用所致。据此，帕斯特奈克（S.Pasternack ）提出，只要假设子能级22S1/2比22P1/2高0.033cm-1，就可以使这一分歧解除。
1945年夏季，兰姆从文献中得知曾有人试图检测气体放电中氢原子的短波射频吸收，却由于微波技术欠佳而未获成功。现在，微波技术发展了，应该能够做出判决性的结果，于是他就说服了他的学生雷瑟福和他一起做这件事情。然而，开始的实验都不成功，气体放电中氢原子的短波射频吸收受到强烈的干扰。兰姆分析，必需创造一种条件，以便利用氢原子中可能具有的亚稳性的22S1/2态来做实验，当氢原子发生射频辐射而跃迁到22P1/2态时，亚稳性将会消失，大约在10-9秒内发出辐射而回到基态，就可以使亚稳态原子减少。
他们的实验方案可以用下列方框图来表示：
eq \x(H2离解顺) —eq \x(电子轰击器) —eq \x(射频区域) —eq \x(检测器)
兰姆和雷瑟福经过几次失败后，终于建立了成功的实验装置（图55－1）。氢气输入2 500K高温的加热炉中约有64％的氢分子离解，形成氢原子束，在输出的途中被加速到10.2eV 的横向电子束激发到n ＝2的各个状态。而处于22P1/2，22P3/2态的氢原子在很短的时间内就会自发地跃迁到基态12S1/2，处于22S1/2态的氢原子受选择定则的限制不能作这样的跃迁，因而形成亚稳态。当亚稳态和基态氢原子打到钨接收板时，因为钨的逸出功小于10.2eV ，亚稳态氢原子有足够的能量使之电离，而基态氢原子则不能。另有一集电极A 对P 保持3V －4V 电压，从P 逸出的电子被集电极收集形成集电极电流，送往静电计测量。
从电子轰击器发出的氢原子束还要经过一个射频区域，这是磁共振方法的基本部件，由电磁铁和微波系统组成。电磁铁提供0.3T 以上的连续可调的恒定磁场。其作用是使氢原子产生塞曼能级分裂。微波系统可使氢原子产生2S 和2P 态的塞曼能级之间的共振跃迁。不同的磁场强度相应于不同的共振频率，这样就可以通过调整磁场强度，选择共振频率。微波的频率则是固定的。共振时，2S 亚稳态氢原子由于跃迁到2P 态而减少。
兰姆和雷瑟福的实验结果确切地证明了根据狄拉克理论计算的共振频率与实际测量的共振频率相差为1000 MHz，正好等于预期的位移值0.033 cm-1。进一步改进设备和测量方法后，兰姆和雷瑟福得到的谱线移动为1057.77±0.10MHz 。
按量子电动力学的计算，氢原子n ＝2兰姆位移的理论值为1057.56±0.10 MHz，两者相符甚好。
兰姆在其它方面还有许多贡献，下面略择两个方面：
兰姆在研究核外电子对外磁场的屏蔽作用时，凝聚态中的核磁共振现象还未被发现。然而，在拉比的分子束磁共振实验中，需要准确地知道外场在核处的有效场应该是多少。为了解决
这个问题，兰姆发表了著名的核磁屏蔽公式。兰姆的物理思想十分简明。处于外磁场的核外电子在以核为球心的球壳上绕磁场方向运动，从而在球心处形成一个与外场相反的磁场，而削弱了外场的作用，即称为核磁屏蔽。10年后，拉姆齐（N.F.Ramsey ）用量子力学的演算证明了兰姆屏蔽项的存在，兰姆简明的物理概念在讨论化学位移中的电子密度效应及芳香环流等效应时特别适用。
二是发现了所谓的兰姆凹陷。兰姆凹陷可用于激光稳频。激光器发明两年后，1962年，兰姆正在耶鲁大学，他对氦氖激光器作了一番理论分析。目的是想要根据原子在电磁场作用下振荡的经典模型，计算激光强度随空腔参数改变的关系。他原来预计，空腔原子有一定的自然跃迁频率，当空腔频率与原子跃迁频率一致时，会因为谐振而使激光强度达最高值。可是出乎他的意料，计算所得的曲线却在谐振处呈现极小值，形成一凹陷。他花了许多时间反复核算，没有找出错误，肯定计算是正确的。当时，兰姆并不知道这就是由于饱和和多普勒频宽引起烧孔效应的后果（不久就清楚了），但是他敏感地预见到，这一凹陷有助于频率的稳定，因为他在理论计算中参考了20年代电子学家范德波尔（van der Pol）关于多频振荡器的理论，这一理论证明只要满足一定条件就可以出现频率锁定现象。兰姆作出理论预测后，并没有马上发表，而是将手稿寄给激光器的另外两位先驱，贾万（A.Javan ）和本勒特（Bennett ），请他们发表意见。贾万回信说，他虽然没有观察到这个现象，但相信会有，因为他曾观察到与之有关的推频效应。本勒特则把自己的实验记录寄给兰姆，他在激光输出随调谐频率变化的曲线中没有找到凹陷信号，表示对此没有信心。他所在的贝尔实验室有一位同事叫麦克发伦（R.A.McFarlane ），得知后对这个问题产生了兴趣，主动承担起实验研究的工作。他用磁致伸缩方法使氦氖激光器的光学腔改变长度，从而调整谐振频率，开始时，他的激光管中用的是自然丰度的气体（氖的成分为20Ne ，90.92％；21Ne ，0.26％；22Ne ，8.82％），在谐振曲线上也没有观察到凹陷，但他注意到曲线有些不对称，似乎是两种频率叠加而成的。他意识到这可能是氖的同位素效应，于是在贾万的帮助下，做了22Ne （纯度达99.5％）的氦氖激光器，果然，在中心频率附近出现了微浅的凹陷信号。功率加大后，凹陷随之变深，形成明显的鸵峰曲线。于是，麦克发伦、本勒特和兰姆三人联名于1963年发表了实验结果，正式宣布兰姆凹陷的存在。与此同时，贾万也发表了类似报告。从此，单模稳频氦氖激光器登上了精密计量工作的舞台，在长度和频率的计量中发挥了重要作用，并且开辟了激光稳频的广阔领域
兰姆1913年7月12日出生于美国加利福尼亚州的洛杉矶。父亲是一位电话工程师。1930年兰姆进入伯克利加州大学，1934年获化学学士学位。随后在奥本海默的指导下研究理论物理学，1934年获博士学位，博士论文题目与核系统的电磁特性有关。1938年兰姆来到哥伦比亚大学当物理学教师。1947年任副教授，1948年升教授。从1943年到1951年兰姆在哥伦比亚大学辐射实验室工作，在这里完成了与诺贝尔物理学奖有关的工作。
库什1911年1月26日出生于德国的布兰肯堡（Blankenburg ），他是传教士的儿子。1912年起全家迁到美国，成了美国公民，定居于俄亥俄州克利夫兰。他原先的打算是学化学，但当他一开始进入凯斯技术学院学习时，志向就转移到了物理方面，1931年获学士学位，然后进伊利诺斯大学攻读博士学位。1936年以分子光谱学获博士学位。1936年—1937年到明尼苏达大学做质谱学工作，1937年起加入哥伦比亚大学。第二次世界大战期间库什离开学校，到威斯汀豪斯公司、贝尔电话实验室研制微波发生器，由此不但熟悉了微波方面的知识，而且掌握了真空管技术，取得了宝贵经验，因为这是从事实验物理学研究必不可少的基本前提。
1949年库什任哥伦比亚大学教授。从最初的工作开始，他就追随拉比，和他一起用分子束磁共振方法从事原子分子和核物理方面的研究，因此成了拉比学派中重要的一员。他本人的研究方向主要是对原子分子组成成分之间以及与外加场的相互作用进行深入的探讨。确定电子的反常磁矩的真实性并精确测定其数值的工作只是他战后原子分子束研究这一广泛课题的一部分。他对化学物理学也颇有兴趣，并运用分子束技术研究这方面的问题。
1925年乌兰贝克（G .E ，Uhlenbeck ）和古德斯密（S.A.Goudsmit ）为了解释从光谱实验得到的数据，曾提出过两个假设：（1）电子具有内禀角动量；（2）电子具有磁偶极矩，等于eh/4πmc ，即玻尔磁子μB 。1928年狄拉克提出的相对论性量子力学把他们的假设自动地包括在内。不过，狄拉克理论并没有考虑量子化电磁场与电子的相互作用。
电子磁矩（以玻尔磁子为单位）与其角动量（以h/2π为单位）之比通称g 因子。gL 表示电子的轨道g 因子，而gs 表示电子自旋的g 因子。根据狄拉克电子理论，gs 等于2。
早在库什开始参加拉比小组，在拉比的指导下工作时，他们在1939年就联名发表过一篇关于测定核的g 值的分子束磁共振方法的论文。
1947年初拉比和一些合作者发现，氢能级的超精细结构也与狄拉克理论不完全符合。伯莱特（G.Breit ）建议，可能是电子的磁矩与玻尔磁子有微小差别所致，也就是说，他怀疑电子的g 值是否正好等于2。
于是库什决定对这个问题作一判决性实验。他和弗利（H.Foley ）用分子束磁共振方法做了一系列精确实验。他们以镓和钠为对象以射频激励原子能级，1948年宣布，电子的内禀磁矩不是精确地等于1个玻尔磁子，而是等于1.001 19±0.00005玻尔磁子，或者说电子的g 因子不等于 2，而是等于gs=2（1.00119±0.00005）。
正好就在这个时候，施温格（J.Schwinger ）在同一期《物理评论》上发表了他用量子电动力学所得的理论计算结果为：gs ＝2×1.0016。
这一巧合表明量子电动力学在一开始就得到了电子反常磁矩的精确验证。库什于1955年与兰姆共同获得了诺贝尔物理学奖，而施温格则与朝永振一郎及费因曼因创建量子电动力学共同获得1965年诺贝尔物理学奖。
[资料]氢光谱精细结构
氢原子是人们最了解的原子之一，从氢原子的光谱线中人们掌握了有关电子的许多知识。如果用精确度为零点几埃的光谱仪来观测氢原子的光谱线系，得到的结果与玻尔理论和薛定谔方程预言的能级十分吻合。但是，改进实验方法，提高光谱仪的分辨率，就会看到氢原子光谱的精细结构。1928年，狄拉克指出：氢原子处在2S1/2和2P1/2两种状态时，应该具有相同的能量。兰姆采用微波共振方法，让微波通过处于一种状态的氢原子，使其转化到另一种状态。由于微波的能量被吸收了，因此这两种状态应该具有不同的能量。兰姆还利用微波共振方法直接测出了与这一能量差相应的频率：1077.77±0.01兆赫兹，后人把这个能级差
称为兰姆移位。现在的理论认为，这一移位是由于量子化的电子场与电子场之间的高次相互作用引起的，即所谓的“辐射修正”。从同一实验得到的另一个重要测量结果是精细结构常数a 的精确值，这是量子电动力学中出现的一个引人注目的无量纲数，当时兰姆测量得到的结果是a=1/(137.0365±0.0012)
[资料]超精细结构
hyperfine structure
由于核磁矩和核电四极矩引起的原子能级和光谱的多重分裂，须用分辨本领很高的分光仪器观测。许多核具有自旋I ，伴随之具有磁矩。核磁矩与电子之间的相互作用造成能级分裂。核磁矩很小，能级的分裂也很小。超精细结构能级由电子总角动量量子数J 、核自旋I 和包括核自旋的总角动量量子数F 来标记。能级间隔遵从类似的朗德间隔定则。许多核还有电四极矩，核电四极矩与电子在核处所产生的电场梯度相互作用引起能量的微小改变，叠加在磁矩引起的超精细结构上，使分裂偏离朗德间隔定则。能级的超精细结构造成光谱线的超精细结构。根据实验测得的光谱线的超精细结构，可以确定原子核的自旋和电四极矩。因原子核同位素质量不同而观察到的光谱多重结构称为同位素效应，不属于超精细结构，它只造成谱线的平移，不影响超精细结构的能级间隔。
[资料]氢原子光谱
1913年丹麦物理学家玻尔为解决卢瑟福原子行星模型的不稳定（按经典理论，原子中电子绕原子核作圆周运动要辐射能量，导致轨道半径缩小直到跌落进原子核，与正电荷中和），提出定态假设：原子中的电子并不像行星一样可在任意经典力学的轨道上运转，稳定轨道的作用量fpdq 必须为h 的整数倍（角动量量子化），即fpdq ＝nh ，n 称之为量子数。玻尔又提出原子发光过程不是经典辐射，是电子在不同的稳定轨道态之间的不连续的跃迁过程，光的频率由轨道态之间的能量差AE ＝hV 确定，即频率法则。这样，玻尔原子理论以它简单明晰的图像解释了氢原子分立光谱线，并以电子轨道态直观地解释了化学元素周期表，导致了72号元素铅的发现，在随后的短短十多年内引发了一系列的重大科学进展。这在物理学史上是空前的。
由于量子论的深刻内涵，以玻尔为代表的哥本哈根学派对此进行了深入的研究，他们对对应原理、矩阵力学、不相容原理、测不准关系、互补原理。量子力学的几率解释等都做出了贡献。
1923年4月美国物理学家康普顿发表了X 射线被电子散射所引起的频率变小现象，即康普顿效应。按经典波动理论，静止物体对波的散射不会改变频率。而按爱因斯坦光量子说这是两个“粒子”碰撞的结果。光量子在碰撞时不仅将能量传递而且也将动量传递给了电子，使光量子说得到了实验的证明。
光不仅仅是电磁波，也是一种具有能量动量的粒子。1924年美籍奥地利物理学家泡利发表了“不相容原理”：原子中不能有两个电子同时处于同一量子态。这一原理解释了原子中电子的壳层结构。这个原理对所有实体物质的基本粒子（通常称之为费米子，如质子、中
子、夸克等）都适用，构成了量子统计力学———费米统计的基点。为解释光谱线的精细结构与反常塞曼效应，泡利建议对于原于中的电子轨道态，除了已有的与经典力学量（能量、角动量及其分量）对应的三个量子数之外应引进第四个量子数。这个量子数后来称为“自旋”，是表述基本粒子一种内在性质的物理量。
氢原子光谱可用下式表示：
1/λ=R[1/(n1)^2-1/(n2)^2]
n1=1 n2=2，3，4... 赖曼线系 紫外区
n1=2 n2=3，4，5... 巴耳麦线系 可见光区
n1=3 n2=4，5，6... 帕邢线系 红外区
n1=4 n2=5，6，7... 布喇开线系 红外区
n1=5 n2=6，7，8... 逢德线系 红外区