Тонкая структура уровней энергии атомов щелочных элементов и спин-орбитальное взаимодействие

Наиболее простой является тонкая структура спектров атомов с одним внешним электроном – водорода, щелочных элементов (натрия, калия и т.д.). При тщательных измерениях обнаруживается, что каждая из спектральных линий таких элементов и ионов, является двойной (дублетом). Дублеты диффузной серии в действительности состоят из трех линий, две из которых настолько близки, что сливаются в одну размытую линию (отсюда название серии − диффузная). Примеры длин волн для первых линий главных серий щелочных элементов: лития, натрия, калия приведены в табл. 9.1.

Таблица 9.1

Причиной дублетной (тонкой) структуры спектральных линий щелочных элементов и водорода является дублетная тонкая структура части их энергетических уровней. Схема тонкой структуры уровней двух щелочных элементов – натрия и калия, поясняющая образование дублетов главной и резкой серий показана на рис. 9.1. Тонкая структура спектральных линий была открыта и исследована Майкельсоном*¹.

Тонкая структура уровней энергии (называемая также мультиплетным расщеплением) – расщепление уровней энергии (термов) электронов в атомах (см. также работу 9), молекулах (см. работу 13), кристаллах обусловлено, главным образом, спин-орбитальным взаимодействием. Спин-орбитальное взаимодействие в атомах, молекулах, кристаллах является проявлением электромагнитного взаимодействия. В релятивистской квантовой теории Дирака*² его рассматривают как взаимодействие между спиновым и орбитальным магнитными моментами электрона. Первый является собственным магнитным моментом, обусловленным наличием у электрона собственного механического момента – спина , не связанного с движением электрона в пространстве. Второй магнитный момент связан с орбитальным движением (током) электрона, Классическим аналогом такой интерпретации спин-орбитального взаимодействия могут служить две магнитные стрелки, энергия взаимодействия которых минимальна при противоположной ориентации и максимальна при параллельной ориентации.

а                                                 б

Рис. 9.1. Схема образования дублетных линий главной и резкой серий натрия (а), главной, резкой и диффузной серии калия (б)

Физическую природу спин-орбитального взаимодействия можно наглядно продемонстрировать в модели Бора атома водорода (см. работу 5), в которой электрон вращается по круговой орбите вокруг ядра [1, § 38]. В системе отсчета, в которой электрон покоится, положительно заряженное ядро движется и создает орбитальное магнитное поле. Это магнитное поле воздействует на спиновый магнитный момент электрона, который может ориентироваться либо вдоль орбитального магнитного поля, либо противоположно ему. В первом случае потенциальная энергия взаимодействия электрона и ядра уменьшается, во втором увеличивается. Поэтому из-за спин-орбитального взаимодействия каждый энергетический уровень водородоподобного атома расщепляется на два подуровня*. Такого расщепления не происходит только для s-состояний с нулевым орбитальным моментом. В данной картине спин-орбитального взаимодействия учитывают также неинерциальность системы отсчета электрона.

В атомных ядрах также имеется спин-орбитальное взаимодействие нуклонов, внешне сходное с электронным спин-орбитальным взаимодействием, но имеющее иную физическую причину – так называемые ядерные силы, обусловленные сильным взаимодействием.

Сложение орбитального механического момента (момента импульса) электрона и его спинового момента приводит к новому квантовому числу электрона в атоме – числу  полного момента. В результате сложения орбитального момента  и спина  квантовое число полного момента может принимать два значения  и

, .                                (9.1)

При  в отсутствие орбитального момента полный момент равен спиновому, а число  имеет единственное значение .