前沿物理学
原子精细结构与超精细结构
观察原子能级分裂为精细结构与超精细结构。定性检验精细分裂 与超精细耦合 。
器材
- 含精细结构子能级的能级3D模型
- 角动量耦合产生超精细 F 能级
- 参数、噪声和物理参数滑块
- 第二部分的物理量演化图
实验步骤
观察精细结构分裂
运行模拟：每个主能级分裂为一簇相近的次能级。拖动物理参数滑块改变分裂宽度，与 的尺度对照——因 ，仅为原能级的约10⁻⁴。
耦合核自旋：超精细能级
观察核磁矩 与电子角动量 耦合为总角动量 ，产生比精细结构更小的附加分裂。增大噪声可看到能级抖动——类似实验线宽模糊超精细分裂。
联系真实谱线
改变参数并读取物理量演化：Na 的约10⁻³ eV 精细分裂产生 589.0/589.6 nm 黄色双线；中性氢的 21 cm（1420 MHz）超精细线是重要的天文探针。改变噪声前先预测哪个能级最稳定。
模拟
实验历史
1887年迈克耳孙发现氢的 线是双线——即“精细结构”。1916年索末菲用玻尔模型的相对论修正给出解释；1928年狄拉克从其相对论性电子方程导出相同结果，该方程自然包含自旋。
1947年拉姆测得兰姆移位——狄拉克理论未预言的微小偏移——开启了量子电动力学。核自旋耦合产生的超精细分裂给出氢的21 cm线，van de Hulst 预言可观测，Ewen 和 Purcell 于1951年探测到。