Vật lý nghiên cứu chuyên sâu

Cấu trúc tinh vi và siêu tinh vi nguyên tử

Hiệu chỉnh tương đối tính tách mức nguyên tử thành cấu trúc tinh vi; tương tác moment từ hạt nhân–electron tạo cấu trúc siêu tinh vi.

Hiệu chỉnh tương đối tính tách mức nguyên tử thành cấu trúc tinh vi; tương tác moment từ hạt nhân–electron tạo cấu trúc siêu tinh vi.

Mô hình và diễn giải

Cấu trúc tinh vi của hydro phát sinh từ động năng tương đối tính, tương tác spin–quỹ đạo và số hạng Darwin; độ tách điển hình nhỏ hơn năng lượng Coulomb theo bậc α². Siêu tinh vi ghép moment từ hạt nhân I với moment tổng electron J. Quy tắc cộng mômen cho F=I+J; mức chuyển tiếp 21 cm của hydro là ví dụ thiên văn nổi tiếng.

Trắc nghiệm nhanh

Trong gần đúng Pauli, cấu trúc tinh vi gồm hiệu chỉnh động năng tương đối tính, tương tác spin–quỹ đạo và số hạng Darwin; mỗi số hạng tỉ lệ bậc tương đối nhỏ theo $\alpha^2$ so với năng lượng Coulomb. Ghép moment từ hạt nhân $I$ với moment điện tử $J$ tạo tổng moment $F=I+J$ và tách thêm mức siêu tinh vi. Chuyển mức giữa các mức này tạo vạch phổ hẹp, dùng trong đồng hồ nguyên tử và phép đo chính xác các hằng số cơ bản.

Độ tách vạch có thể được đo bằng tần số $\nu=\Delta E/h$, nên phổ nguyên tử là phép đo trực tiếp các hiệu chỉnh nhỏ trong Hamiltonian. Tách tinh vi thường phụ thuộc vào $j$ và tương tác spin–quỹ đạo; cấu trúc siêu tinh vi phụ thuộc spin hạt nhân và mật độ xác suất electron tại hạt nhân. Hiệu ứng dịch chuyển đồng vị và hiệu ứng QED tiếp tục tinh chỉnh mô hình, cho phép kiểm tra lý thuyết nguyên tử chính xác.

Quy tắc chọn lọc xác định chuyển mức nào có thể quan sát: với chuyển lưỡng cực điện, thường $\Delta l=\pm1$ và $\Delta m=0,\pm1$. Trường ngoài có thể tách hoặc trộn các mức, tạo hiệu ứng Zeeman hay Stark. Phân giải các dịch chuyển nhỏ này kiểm tra Hamiltonian hiệu dụng và cấu trúc hạt nhân.