Lời mở đầu Nguyên tử hydro chí có một electron nên được xem là nguyên tử đơn giản nhất được biết và đã có lời giải chính xác cho phương trình Schrédinger nên việc nghiên cứu vẻ nguyên tử hydro có vai trò vô cùng quan trọng va là cơ sở để kiêm chứng các phương pháp mới, là tiền dé cho việc tìm hiểu các nguyên tử phức tap hơn. Rất nhiều công trình đã nghiên cứu về nguyên tử hydro khi đặt trong từ trường [1-5], điện trường [6]. Không chỉ riêng đối với thé Coulomb giữa electron và hạt nhân mà hiện nay đã có nhiều công trình nghiên cứu vẻ các thé màn chắn, chăng hạn như thé Yukawa [17], thé Morse [18], thé Kratzer [19], thé Keldysh [20], thé Thomas-Fermi [21]. Trước đây chưa có nhiều công trình nghiên cứu về ban chat tương tác của các hạt cơ bản trong lý thuyết lượng tử.
Heisenberg coi sự tương tác của Platzwechsel giữa neutron và proton có tam quan trọng đối với cau trúc hạt nhân. Fermi đã chỉ ra rang neutron va proton có thê tương tác bang cách phát ra và hap thụ một cặp neutrino và electron khi xử lý van dé về phân rã / dựa trên giả thuyết về neutrino, nhưng điều đó chưa chính xác vi năng lượng tính toán được quá nhỏ dé có thé giải thích được năng lượng liên kết của neutron va proton trong hạt nhân. Yukawa đã cho rằng sự tương tác như vậy giữa các hạt cơ bản có thẻ được mô tả bằng một trường lực và trường này phải đi kèm với một loại lượng tử mới [17]. Từ đó thế Yukawa được sử dụng để mô tả tương túc của các hạt cơ bản, cho đến nay đã có nhiều công trình nghiên cứu về thế Yukawa [22].
nguyên tử hydro trong thế Yukawa [23]. Phương trình Schrödinger dừng là phương trình ding dé mô tả trạng thái lượng tử của một hệ thông vật lý trong trường hợp không có sự thay đồi theo thời gian. Tuy là trường hợp đặc biệt nhưng đây là phương trình đặc trưng và là nền tảng trong cơ học lượng tử. Rất nhiều phương pháp dé giải phương trình Schrédinger cho nguyên tử hydro đã được áp dụng.
Việc lựa chon, sử dụng phương pháp phù hợp là yếu tô quyết định. Hiện nay chỉ có số ít bài toán giải ra được nghiệm chính xác vì thế các phương pháp gần đúng có vai trò quan trọng. Trong đó phương pháp nhiễu loạn là một trong những phương pháp thường được sử dụng. Trong lý thuyết nhiều loạn Hamiltonian được viết tách làm 2 thành phan, thành phần không nhiễu loạn có hàm riêng và trị riêng được xác định chính xác và thành phan nhiễu loạn với điều kiện phải có giá trị rất nhỏ so với thành phần không nhiều loạn.
Thông qua các công thức tính bô chính có thê giải đến sai số nhỏ nhất. Phương trình Schrödinger của nguyên tử hydro trong từ trường có thé được viết trong hệ tọa độ khối tâm và chuyên động tương đối giữa electron và hạt nhân. Đề giải quyết các vấn đề của nguyên tử hydro trong từ trường thì việc tách chuyền động khối tâm với chuyên động tương đối là điều cần thiết. Khi nguyên tử hydro được đặt trong từ trường động lượng của khói tâm không bảo toàn nên việc tách chuyền động khối tâm trở nên phức tạp.
Khái niệm véc-tơ giá động lượng đã được xây dựng dé giải quyết vấn đề và đã có lời giải chính xác cho việc tách khôi tâm trong công trình [26], [27], [28]. Sau khi tách chuyển động khối tâm ta nhận thấy rằng trong Hamiltonian của nguyên tử hydro có thành phần làm cho chuyên động khối tâm ảnh hưởng đến chuyền động tương đối dẫn đến sự thay đôi phô năng lượng. Sự ảnh hưởng này phụ thuộc vào yếu tổ nhiệt độ khi có từ trường da lớn tác động. Hiệu ứng nhiệt độ có ảnh hưởng không đáng ké đến trạng thái co bản của exciton.
ở các mức năng lượng kích thích đối với từ trường từ 60 T trở lên thì các mức năng lượng có sự thay đôi rõ rệt [29]. Tài liệu [30] đã trình bay về sự ảnh hưởng của nhiệt độ lên mức năng lượng thấp của exciton trong từ trường đều và kết quả cho thấy với ảnh hưởng của từ trường và nhiệt độ mức năng lượng 3s có thê khác biệt gan 6% so Với tại nhiệt độ 0 K. Với mức năng lượng cơ bản của nguyên tử hydro [31] cũng đã cho thay được sự ảnh hưởng lên đến 0. Plasma là một trong những trạng thái cơ bản của vật chất.
Được xuất hiện vào những năm 1920 và được biết đến như một loại chất khí, trong đó các nguyên tử hoặc phân tử không trung hòa về điện. Plasma bao gồm các ion, các electron tự do và được hình thành khi một chất khí được nung nóng đến mức các nguyên tử va chạm mạnh với nhau, làm electron bị tách ra khỏi hạt nhân. Do đó plasma có thé mô tả như một loại khí bị ion hóa, cung cấp đủ năng lượng đề giải phóng các clectron khỏi nguyên tử hoặc phân tử và cho phép các ion va electron cùng ton tại [32]. Tuy nhiên việc tạo ra plasma bằng cách nung nóng chất khí chưa thật sự khả thi vì phần lớn vật chứa không thé nóng đến mức cần thiết dé chất khí bị ion hóa, vật chứa cũng sẽ bốc hơi va tro thành plasma.
Thông thường, trong phòng thí nghiệm một lượng nhỏ khí được 2 làm nóng và ion hóa bằng cách cho dòng điện chạy qua hoặc chiếu sóng vô tuyến. Các electron mang dòng điện hoặc hap thụ sóng vô tuyến nên đôi khi các electron nóng hơn một chút so với các ion [33]. Sự xuất hiện của plasma kéo theo nhiều nghiên cứu về sự thay đổi các tính chất vật lý của nguyên tử trong môi trường plasma, vẫn dé trở nên phức tạp hơn khi các nguyên tử trong plasma chịu ảnh hưởng của các trường bên ngoài. Điều này đóng vai trò quan trọng trong ứng dụng của vật lý nguyên tử và hạt nhân, vật lý thiên văn vả vũ trụ.
Bắt đầu từ khám phá của Zeeman vào năm 1896 vẻ sự phân tách các vạch quang phô thành các thành phan khi một nguồn sáng được đặt giữa các cực của một nam châm điện, khi đó việc nghiên cứu ảnh hưởng của từ trường đến các nguyên tử được quan tâm nhiều hơn. Năm 1897, Lorentz đã phát triển lý thuyết cỗ điển về chuyên động điều hòa đơn giản của một electron đưới sự có mặt của từ trường, nhưng lý thuyết của ông chưa giải thích được sự xuất hiện của nhiều vạch quang phô khác, cho thấy được sự phân tách phức tạp khi có mặt của từ trường. Điều này được giải thích bằng công trình của Landé năm 1923 vẻ cấu trúc đa bội và sự phát hiện của Uhlenbeck và Goudsmit vào năm 1925 về spin và moment từ của electron. Từ đó sự phân tách một vạch quang phô thành các thành phan khi có từ trường nhỏ được gọi là hiệu ứng Zeeman.
Lý thuyết lượng tử về hiệu ứng Zeeman được nhiêu công nhận và bat đầu phát trién [34]. Hau hết các nghiên cứu về hiệu ứng Zeeman đã được thực hiện thường xuyên ở các trường thường nằm trong khoảng 2-4 T. Năm 1939, Bitter đã mô ta một số nam châm điện được sử dụng trong nghiên cứu hiệu ứng Zeeman. Trong đó có một nam châm có thé tạo ra từ trường 7-10 T, nam châm nảy được sử dụng cho việc nghiên cứu quang phô của các nguyên tử khi chịu ảnh hưởng của từ trường.
Năm 1974, Pauthenet và Dransfeld báo cáo rằng một số phòng thí nghiệm có thẻ tạo ra trường 20 T [34]. Nam 2006, NHMFL tại trường Đại học bang Florida đã tao ra được từ trường lên đến 45 T cũng nhờ vào nam châm điện [35]. Cho đến năm 2011, cơ sở NHMFL-PFF được đặt trong Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos ởớ New Mexico đã tạo ra từ trường đạt tới 97. Bên cạnh đó, năm 1960 Fowler và cộng sự đã báo cáo một trường 1400 T kéo dai trong 2 us.
Từ trường cao nhất được biết cho đến nay lên đến khoảng 2800 T được tao ra tại trung tâm hạt nhân ở Nga. Tuy nhiên các 3 từ trường trên chỉ tồn tại trong thời gian rất ngắn và đã làm phá hủy nam châm điện [37]. Năm 2018, các nhà khoa học tại Đại học Tokyo đã tạo ra từ trường lên đến 1200 T bang kĩ thuật EMFC, từ trường được đo bằng đầu dò quay Faraday loại phản xạ sử dung sợi quang [38]. Từ trường cũng 1a van dé được quan tâm nhiều trong vật lý thiên van, sự hiện điện của từ trường trong các sao là một trong những điểm đặc biệt của chúng.
Tat cả các sao lùn trang đã biết từ trước đến nay déu có từ trường bê mặt lớn hơn 5. Không có sao lùn trắng nào có trường yếu hơn được tìm thấy bằng bất kỳ phương pháp tìm kiếm nào [39]. Từ trường mạnh trên các sao lùn trắng có thê có giá trị từ 10” —10` T, trên các sao neutron có thê có giá trị từ 10’ =10” T. Mặc dủ đã đạt được nhiều tiến bộ trong việc nghiên cứu tính chat của nguyên tử chịu ảnh hưởng của từ trường trong phòng thí nghiệm.
nhưng kiến thức về cau trúc và phô nang lượng của nguyên tử trong từ trường siêu mạnh được tìm thấy trong khí quyền của các sao lùn trắng va các sao neutron được cho là đã phá vỡ hiệu ứng Zeeman. Việc phát hiện ra từ trường không 16 ở sao lùn trắng và sao neutron đã mở ra khả nang nghiên cứu các tính chất của vật chất trong những điều kiện không bao giờ có thẻ thực hiện được trong các phòng thí nghiệm [27]. Nhiệt độ trung bình trong sao lùn trắng và sao neutron là không có định, sự thay đôi của chúng phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Nhiệt độ của sao lùn trắng đao động từ khoảng vài chục nghìn độ K trong khi sao neutron dao động từ khoảng trăm nghìn độ K, tuy nhiên ở một vài ngồi sao nhiệt độ có thê lên đến hàng triệu độ K [42].
Vì bầu khí quyền của những ngôi sao này chủ yếu bao gồm hydro nên yếu tố nhiệt độ cũng có thé ảnh hưởng đến phô năng lượng của nguyên tử hydro, Các nhà khoa học cô gắng khai thác sức mạnh của phản ứng tông hợp hạt nhân diễn ra trong quá trình đốt cháy các ngôi sao. Bằng cách kết hợp các nguyên tử hydro để tạo ra heli dưới ap suất và nhiệt độ cực cao đề tạo ra môi trường có năng lượng không lỗ, có điều kiện gan như các sao. Nhưng việc tái tạo các điều kiện bên trong của các ngôi sao không phải là nhiệm vụ đơn giản.