II.4.1.Thí nghiệm Lamb-Retherfor: II.4.1.1.Phương án thí nghiệm
Năm 1947 các nhà vật lý Mỹ Lamb và Retherford dùng phương pháp phổ học vô tuyến lần đầu tiên chứng tỏ được rằng mức 2s1/2 trong hydro dịch chuyển khoảng 100 MHz (1MHz = 1/3.10-4 cm-1) so với 2p1/2.
Theo thuyết Dirac, sự dời chuyển từ trạng thái 2s1/2 đến trạng thái 2p3/2 có liên quan đến sự hấp thụ năng lượng 0,365cm-1 nghĩa là với sự hấp thụ các bước sóng 2,47cm (10930Mhz). Tuy nhiên, việc xác định trực tiếp tần số dời chuyển (2p3/2 - 2s1/2) gặp nhiều khó khăn lớn. Trong các thí nghiệm của Lamb và Rutherfor người ta đã dùng tính nửa bền vững của mức 2s1/2 (dời chuyển đến 1s1/2 bị ngăn cấm bởi qui tắc lựa chọn đối với l), thời gian sống của mức này vào khoảng 1/7s khi không có nhiễu loạn, trong khi đó thời gian sống của mức 2p vào cấp 10-9s.
Hydro phân tử bị phân ly trong lò tại nhiệt độ cao. Chùm các nguyên tử bay ra từ lò bị các electron bắn phá, do đó một số các nguyên tử bị kích thích đến trạng thái nửa bền 2s1/2 .
Khi tương tác với bia kim loại, các nguyên tử nửa bền chuyển sang trạng thái không có bức xạ, còn năng lượng kích thích dùng để bứt electron.
Bây giờ nếu bằng một phương pháp nào đó phá hủy trạng thái nửa bền trước khi các nguyên tử tác với bia bằng cách đưa các nguyên tử từ 2s1/2 lên về 2p1/2, thì máy dò sẽ chỉ dòng điện giảm, vì các nguyên tử hidro ở trạng thái 2p1/2 bức xạ kịp năng lượng trước khi chúng rơi vào máy dò.
Sự phá hủy các trạng thái nửa bề trong công trình của Lamb và Retherford đã đạt được bằng cách cho tác dụng bức xạ có tần số vô tuyến, bức xạ này cảm ứng những dời chuyển từ các trạng thái 2s1/2 về trạng thái 2p1/2.
Các phép đo vô tuyến đã được tiến hành tại những giá trị xác định của tần số bức xạ vô tuyến. Để thu được các điều kiện cộng hưởng, người ta đã sử dụng hiệu ứng Zeeman tại các thành phần của cấu trúc tinh tế. Khi thay đổi từ trường, ta có thể thay đổi các đường cong biến thiên của các dòng electron đã cho. Các cực đại trên các đường cong được giải thích như các điều kiện cộng hưởng đối với các dời chuyển Zeeman 2s1/2(m1) 2p3/2, 1/2 (m2).
II.4.1.2.Kết quả thí nghiệm
Sau khi đưa vào đồ thì các giá trị của tần số cộng hưởng trong hàm số của từ trường và ngoại suy các giá trị các kết quả cho B=0, các kết quả chính xác nhất đối với khoảng cách giữa các mức 2p1/2 là:
(đối với hydro)
(đối với dotori)
II.4.1.3.Phân tích kết quả thí nghiệm:
Như đã nói ở trên, theo cơ học lượng tử, nguyên tử hydro có hai trạng thái 2s1/2 và 2p1/2 có năng lượng trùng nhau. Do đó khi chuyển từ trạng thái 2s1/2 - 2p1/2 thì khoảng cách giữa chúng phải là 0 nhưng kết quả thí nghiệm lại không cho kết quả như vậy. Nguyên nhân nằm ở chính sự hạn chế của cơ học lượng tử. Đó chính là sự bỏ qua lý thuyết tương đối trong việc mô tả chuyển động các hạt vi mô thông qua phương trình sóng Schodinger.
Năm 1928 Pual Dirac nhà vật lý thiên tài người Anh, bằng phương trình sóng spinơ đã kết hợp một cách nhuần nhuyễn cơ học lượng tử và lý thuyết tương đối khám phá ra quy luật chuyển động của các hạt mang điện này cũng như các fecmion khác. Như vậy các kết quả thí nghiệm trên sẽ được giải thích theo lý thuyết của Dirac chăng? Thật không may (hay là may mắn). Các kết quả thực nghiệm đã cho chúng ta thấy rằng khoảng cách giữa 2s1/2 và 2p1/2 nhỏ hớn khoảng 1000MHz so với kết quá suy ra từ lý thuyết Dirac. Để có cái nhìn tổng quát hơn chúng ta hãy xét cấu trúc xạch trong dãy Balmer của triti . Vạch này xuất hiện do sự dời chuyển mức năng lượng từ thứ 2 đến thứ 3.
Ký hiệu
|
Dời chuyển
|
Tính theo Dirac
tính ra 10-3 cm-1
|
Dịch chuyển Lamb
tính ra 10-3 cm-1
|
a
|
3d5/2 - 2p3/2
|
0,0000
|
0,0000
|
g
|
3d3/2 - 2p1/2
|
328,6
|
328,6
|
f
|
3p3/2 - 2s1/2
|
328,6
|
293,3
|
e
|
3p1/2 - 2s1/2
|
220,8
|
185,8
|
d
|
3s1/2 - 2p1/2
|
220,8
|
230,8
|
b
|
3d3/2 - 2p3/2
|
-36
|
-36
|
c
|
3s1/2 - 2p3/2
|
-144,2
|
-134,2
|
Như vây chúng ta cũng không thể dùng phương trình spinơ của Dirac để mô tả chuyển động của thế giới vi mô.
Các kết quả thu được của lý thuyết về độ dịch chuyển Lamb của các mức năng lượng của các mức năng lượng của các electron trong các nguyên tử đồng dạng hydro đã khai sinh ra lý thuyết điện từ mới đó là điện động lực học lượng tử
Lý thuyết trường lượng tử - điện động lực học lượng tử (QED)
Chia sẻ với bạn bè của bạn: |