最先端の物理学
原子の微細構造と超微細構造
原子のエネルギー準位が微細構造・超微細構造に分裂する様子を観察します。微細分裂 と超微細結合 を定性的に確かめます。
器具
- 微細構造の副準位を持つエネルギー準位の3Dモデル
- 超微細準位 F を生む角運動量結合
- パラメータ、ノイズ、物理パラメータのスライダー
- 第2部の物理量発展グラフ
手順
微細構造の分裂を見る
シミュレーションを実行すると、主準位が近接した副準位の束に分裂します。物理パラメータスライダーで分裂幅を変え、 のスケールと比べます。 のため主準位の約10⁻⁴程度です。
核スピンを結合：超微細準位
核の磁気モーメント と電子の角運動量 が全角運動量 に結合し、微細構造より小さな追加分裂を生む様子を観察します。ノイズを上げて準位が揺れるのを見ます。実験の線幅が超微細分裂をぼかすのに似ています。
実際のスペクトル線と結びつける
パラメータを変えながら量の変化を読みます。Na の約10⁻³ eV の微細分裂は589.0/589.6 nm の黄色二重線を生じ、中性水素の21 cm（1420 MHz）超微細線は重要な天文観測手段です。ノイズを変える前に最も安定な準位を予測しましょう。
シミュレーション
実験の歴史
1887年アルバート・マイケルソンは水素の 線が二重線であることを発見しました。「微細構造」です。アーノルド・ゾンマーフェルトは1916年にボーア模型への相対論的補正で説明し、1928年ポール・ディラックがスピンを自然に含む相対論的電子方程式から同じ結果を導きました。
1947年ウィリス・ラムがラムシフト――ディラック理論が予言しない小さなずれ――を測定し、量子電磁力学への道を開きました。核スピン結合による超微細分裂は水素の21 cm線を生み、ヘンドリック・ファン・デ・フルストが観測可能と予言、1951年にイーウェンとパーセルが検出しました。