Vakuumpolarisation

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Feynman-Diagramm für die Vakuumpolarisation niedrigster Ordnung.

Die Vakuumpolarisation ist ein theoretisches Konzept der Quantenelektrodynamik bzw. Quantenfeldtheorie, welches das Vakuum durch die Erzeugung und Vernichtung elektrisch geladener virtueller Teilchen als nichtlinear polarisierbares elektromagnetisches Physik beschreibt. Im einfachsten Fall wird dabei einem virtuellen Photon ein virtuelles Elektron-Positron-Paar erzeugt, das innerhalb der Grenzen der Heisenbergschen Unschärferelation in kürzester Zeit wieder zu einem virtuellen Photon vernichtet wird.

Die Vakuumpolarisation liefert u. a. einen kleinen Beitrag (rund 2 %) zur Erklärung der 1947 von Willis Eugene Lamb und Robert Curtis Retherford entdeckten Lamb-Verschiebung der Spektrallinien des Wasserstoffatoms gegenüber dem mittels der Dirac-Gleichung theoretisch berechneten Wert. Die Verschiebung resultiert daraus, dass die positive Ladung des Atomkerns durch virtuelle Elektron-Positron-Paar abgeschirmt wird. In unmittelbarer Kernnähe ist diese Abschirmung allerdings geringer, wodurch die effektive Ladung des Kerns hier im Vergleich zu größeren Entfernungen erhöht wird. Betroffen davon ist insbesondere das Elektron im kugelsymmetrischen s-Orbital der Hülle, da dessen Aufenthaltswahrscheinlichkeit in Kernnähe zwar klein, aber doch größer Null ist, was bei den höheren Atomorbitalen nicht der Fall ist.

Ein weitaus größerer Anteil der Lamb-Verschiebung beruht - mit umgekehrtem Vorzeichen - auf der Wechselwirkung des Hüllen-Elektrons mit virtuellen Teilchen, die durch Vakuumflukationen bedingt sind.

Siehe auch

Literatur

  • Christian Gerthsen, Dieter Meschede: Gerthsen Physik. 23. Auflage. Springer-Verlag, 2006, ISBN 3-540-25421-8
  • Freeman Dyson: Quantenfeldtheorie. Springer Spektrum, 2014, ISBN 978-3-642-37677-1
  • Walter Greiner u. a.: Theoretische Physik. Verlag Harri Deutsch, Bände Feldquantisierung 1993, Quantenelektrodynamik 1994, Eichtheorie der schwachen Wechselwirkung, 1994, Quantenchromodynamik
  • Claude Itzykson, Jean-Bernard Zuber: Quantum Field Theory. McGraw-Hill, New York, 1980, ISBN 0-07-032071-3
  • Boris Lemmer, Benjamin Bahr, Rina Piccolo: Quirky Quarks: Mit Cartoons durch die unglaubliche Welt der Physik, Springer Verlag 2017, ISBN 978-3662502587, eBook ISBN 978-3-662-50259-4 (pdf), ASIN B01MQRB6YZ (kindle)