最先端の物理学

原子の微細構造と超微細構造

相対論的補正が原子準位に微細構造を生み、核と電子の磁気結合が超微細構造を作ります。

相対論的補正が原子準位に微細構造を生み、核と電子の磁気結合が超微細構造を作ります。

モデルと解釈

水素の微細構造は相対論的運動エネルギー、スピン軌道相互作用、ダーウィン項に由来し、クーロンエネルギーよりおよそα²小さい尺度です。超微細構造は核スピンIと電子角運動量Jを結合します。合成角運動量はF=I+Jで、21 cm遷移は天文学上有名です。

クイックチェック

パウリ近似では、微細構造は相対論的運動エネルギー、スピン軌道相互作用、ダーウィン項からなり、いずれもクーロンエネルギーに対して $\alpha^2$ 程度の小さな補正です。核スピン $I$ と電子角運動量 $J$ の結合で全角運動量 $F=I+J$ ができ、超微細分裂が生じます。準位間の遷移による狭いスペクトル線は原子時計や基礎定数の精密測定に用いられます。

準位分裂は周波数 $\nu=\Delta E/h$ として測定され、原子スペクトルはハミルトニアンの微小補正を直接探ります。微細分裂は主に $j$ とスピン軌道結合に依存し、超微細構造は核スピンと核位置での電子確率密度に依存します。同位体シフトやQED補正が描像をさらに精密化し、原子理論の精密検証を可能にします。

選択則が観測可能な遷移を決めます。電気双極子遷移では通常 $\Delta l=\pm1$、$\Delta m=0,\pm1$ です。外場は準位を分裂・混合し、ゼーマン効果やシュタルク効果を生みます。小さなシフトの分解測定は有効ハミルトニアンと核構造の検証になります。