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水素における微細構造(fine structure)と超微細構造(hyperfine structure).

超微細構造(英:Hyperfine structure)とは、原子物理学において、原子分子エネルギー準位(あるいはスペクトル)に含まれる小さな分裂を表す。 これは運動する電子磁気双極子モーメント核磁気モーメントとの相互作用により起こる。

目次

理論編集

古典物理学的に考えると、原子核の周りを回る電子は電荷を持つため磁気双極子モーメントを持つ。この磁気双極子モーメントと(核スピンによる)核磁気モーメントとの相互作用が超微細分裂を引き起こす。

しかし、電子スピンがあるため、軌道角運動量がゼロのs亜殻電子についても超微細分裂が起こる。ここで、電子の確率密度は核の内部 ( ) でもゼロにならないため、磁気双極子相互作用はより強い。

水素原子の超微細分裂とボーアのエネルギー準位との関係は

 

オーダーである。ただし

m は電子の質量
mp は原子の質量
α微細構造定数 (1/137.036)
c光速

である。

水素以外の原子については、核スピン量子数   と電子の全角運動量   (ここで、 軌道角運動量 スピン角運動量を表す。)とが結び付き、原子の全角運動量 となる。

したがって超微細分裂は

 

となる。ただし

 

であり、  は核の磁気双極子モーメントである。


この関係は「エネルギー準位は   に分裂する」というランデの間隔則 (Lande interval rule) に従う。

 であり、超微細構造は微細構造よりも更に微細である。

より詳細な議論のためには、核四重極モーメントについても考慮する必要がある。これは hyperfine structure anomaly と呼ばれる。

歴史編集

超微細構造は1881年に既にアルバート・マイケルソンにより光学的に観測されていた。しかし、説明は1920年代量子力学に依らなければできなかった。1924年ヴォルフガング・パウリは核磁気モーメントを理論的に提案した。

1935年に M. Schiiler と T. Schmidt はhyperfine structure anomalyを説明するために核四重極モーメントを提案した。

応用編集

関連項目編集