Năm 1887, Albert Michelson (1852 – 1931) và Edward Morley(1838 – 1923) đã quan sát được cấu trúc tinh tế của vạch đỏ hydro39
. Hai ông đã sử dụng giao thoa kế để kiểm tra giả thuyết ether của Maxwell, và đồng thời hai ông cũng ghi nhận: “Có một trường hợp rất đáng lưu ý là vạch đỏ của nguyên tử hydro. Hiện tượng giao thoa của vạch đỏ hydro biến mất ở khoảng 15000 bước sóng và một lần nữa biến mất ở 45000 bước sóng; vì thế vạch đỏ hydro phải là vạch đôi với khoảng cách 1/60 khoảng cách của vạch đôi natri” [24].Như vậy, cấu trúc tinh tế của nguyên tử hydro đã được tìm ra từ rất sớm và đã được rất nhiều nhà quang phổ học nghiên cứu để tìm hiểu cấu trúc phổ năng lượng của nguyên tử hydro. Như vào năm 1933, nhóm nghiên cứu của Norman Grave (chưa rõ năm sinh – năm mất), Frank Spedding (1902 – 1984) và Shane (chưa rõ năm sinh – năm mất) làm việc tại đại học UC Berkeley đã xác định được cấu trúc tinh tế của vạch Hα trong phổ nguyên tử hydro bằng giao thoa kế Fabry – Perot[30]. Vạch
38[29].
60
Hα về lý thuyết bao gồm nhiều vạch nhỏ nhưng nhóm nghiên cứu trên chỉ ra rằng do sự chồng chất giữa các vạch nên vào thời đó chỉ có thể quan sát được vạch đôi như hìnhHình 2.20.
Hình 2.20 Cấu trúc tinh tế của vạch Hα quan sát vào năm 193540.
Từ năm 1947 – 1955, Willis Lamb (1913 – 2008) cùng với Robert Retherford (1912 – 1981) và cộng sự đã dùng phương pháp sóng viba để nghiên cứu cấu trúc tinh tế của nguyên tử hydro. Mô hình thí nghiệm được thể hiện như Hình 2.21 và mặt cắt của bộ máy mà Lamb đã sử dụng được thể hiện trong Hình 2.22.
Hình 2.21Mô hình thí nghiệm đo cấu trúc tinh tế của nguyên tử hydro.
61
Hình 2.22Mặt cắt của bộ máy41
.
Quá trình thí nghiệm được tiến hành như sau: phân tử H2bị phân ly ở trong lò vonfram ở nhiệt độ cao làm xuất hiện một dòng các nguyên tử H. Sau đó, dòng nguyên tử này đi vào vùng bắn phá bởi các electron, do đó, một số nguyên tử bị kích thích đến trạng thái giả bền 2S1 2với xác suất một nguyên tử H giả bền trên một triệu nguyên tử. Tiếp đến, nguyên tử bị kích thích được chuyển đến các bề mặt kim loại và được phát hiện. Giữa vùng bắn phá và vùng phát hiện, nguyên tử được đặt vào vùng sóng viba. Cả quá trình được tiến hành trong từ trường. Các mức năng lượng của cấu trúc tinh tế nguyên tử hydro chịu sự tách vạch Zeeman như Hình 2.23[2].
41[19].(a) lò vonfram để phân tách hydro, (b) khe di động, (c) cathode bắn phá electron, (d) lưới, (e) anode, (f) vạch truyền, (g) khe để cho các nguyên tử giả bền đi qua vùng tương tác, (h) tấm được gắn vào trung tâm dây dẫn của vạch dịch chuyển r – f, (i) điện cực một chiều, (j) mục tiêu cho những nguyên tử giả bền, (k) vùng thu electron phóng ra từ mục tiêu, (l) mặt nam châm, (m) cửa sổ để quan sát nhiệt độ lò vonfram.
62
Hình 2.23Các mức năng lượng của cấu trúc tinh tế chịu sự tách vạch Zeeman42. Thí nghiệm này đã chứng tỏ rằng mức 2S1 2 trong phổ nguyên tử hydro dịch chuyển khoảng 1000 zMH so với mức 2P1 2. Theo lý thuyết Dirac, sự chuyển dời từ trạng thái 2S1 2 đến trạng thái 2P3 2 có liên quan đến sự hấp thụ năng lượng vào
khoảng 1
0.365 cm− , nghĩa là sự hấp thụ bức xạ có bước sóng 2.74 cm. Vào thời điểm ấy, thành tựu công nghệ sóng viba đạt được vào khoảng lân cận 3 cm nên việc xác định trực tiếp tần số cộng hưởng đối với dịch chuyển gặp nhiều khó khăn. Do đó, Lamb đã sử dụng từ trường để lợi dụng sự tách vạch trong hiệu ứng Zeeman nhằm thay đổi bước sóng để tiện cho việc quan sát.Ngoài ra, trong thí nghiệm này, Lamb đã dùng đến tính
42[19].
63
giả bền của mức 2S1 2để loại bỏ sự chuyển mức xuống 1S1 2, tạo thuận lợi cho thí nghiệm[2]. Thí nghiệm của Lamb không chỉ giúp xác định cấu trúc tinh tế của nguyên tử hydro mà còn tìm ra được sự dịch chuyển mới – dịch chuyển Lamb – giữa hai mức
1 2
2S và 2P1 2 mà trong lý thuyết Dirac chưa dự đoán được. Dịch chuyển Lamb, vào năm 1948, đã được giải thích bằng cách sử dụng lý thuyết Điện động lực học lượng tử43
bởi Thedore Welton[20].