Спин-орбитальное взаимодействие
Исследования спектров щелочных металлов показали, что каждая линия этих спектров является двойной (дуплет). Структура спектра, отражающая расщепление линий на компоненты, называется тонкой структурой. Сложные линии, состоящие из нескольких компонент, называются мультиплетами.
Число компонент в мультиплете может быть два (дуплет), три (триплет), четыре и т.д. В частном случае спектральные линии могут быть одиночными (синглеты).
Расщепление спектральных линий обусловлено расщеплением энергетических уровней и связано с наличием у электрона спина.
Рассмотрим атом натрия. Момент атомного остатка равен нулю, и момент атома натрия равен моменту валентного электрона, т.е. сумме его орбитального и спинового моментов:
(8.2)
где j =+s; j = +s . При = 0 имеет место только одно значение j =. При = 1 квантовое число j принимает два значения . Этим значением j соответствуют две взаимные ориентации моментов и –параллельная (j = + s) и антипараллельная (j = - s).
С механическими моментами связаны магнитные моменты, которые взаимодействуют между собой как два тока или как две магнитные стрелки. Это взаимодействие называется спин-орбитальным взаимодействием. Его энергия зависит от взаимной ориентации спинового и орбитального моментов. Следовательно, состояния с различными j обладают разной энергией, и каждый терм при ≠ 0 расщепляется на два. Структура термов оказывается двойной (дуплетной).
j – это квантовое число полного момента импульса. Правило отбора для него Δj = 0; ±1.
Экспериментально была обнаружена тонкая структура и водородного атома. Рассеяние между уровнями тонкой структуры, как показывает квантово-механический расчет, равно:
(8.3)
где – энергия ионизации водородного атома, α – постоянная тонкой структуры,
С помощью формулы (8.3) можно оценить величину мультиплетного расщепления уровней. Расстояния между уровнями, отличающимися значениями главного квантового числа, имеют величину порядка ~ 10 –5 эВ. Таким образом, рассеяние между уровнями тонкой структуры примерно в 105 раз меньше, чем рассеяние между основными уровнями.