Ключевое различие между тонкой и сверхтонкой структурой заключается в том, что в тонких структурах расщепление линий является результатом изменений энергии, вызываемых электронным спин-орбитальным взаимодействием, тогда как в сверхтонких структурах расщепление линий является результатом взаимодействия между магнитным полем и ядерным спином.
Обычно тонкая структура описывает расщепление спектральных линий атомов, возникающее в результате спина электрона и релятивистских поправок к нерелятивистскому уравнению Шредингера. С другой стороны, сверхтонкая структура является результатом взаимодействия между внутренним электрическим и магнитным полем и ядром атомов или ядрами в молекулах.
Что такое тонкая структура?
Тонкая структура – это расщепление спектральных линий атомов в результате спина электрона и релятивистских поправок к нерелятивистскому уравнению Шредингера. Это явление было впервые измерено Альбертом А. Майкельсоном и Эдвардом У. Морли в 1887 году для атома водорода. Основой для их измерения послужили теории, введенные Арнольдом Зоммерфельдом. Эти измерения привели к введению постоянной тонкой структуры. Постоянная тонкой структуры представляет собой безразмерное число, приблизительно равное 1/137.
Рисунок 01: Картина расщепления тонкой структуры дейтерия (охлажденного)
Мы можем дать общую структуру линейчатых спектров, используя предсказания квантовой механики нерелятивистских электронов, не имеющих спина. Например, в атоме водорода общая структура в основном зависит от главного квантового числа n. Более точная модель также будет использовать релятивистские и спиновые эффекты атома, которые могут нарушить вырождение энергетических уровней атома водорода и привести к расщеплению спектральных линий. Мы можем задать масштаб расщепления тонкой структуры по отношению к энергии брутто-структуры как (Za)2, где Z - атомный номер, а - постоянная реберной структуры.
Что такое сверхтонкая структура?
Сверхтонкая структура – это расщепление энергетических уровней в атомах, молекулах и ионах из-за взаимодействия между электронными облаками и ядром. Обычно сверхтонкая структура возникает в атомах за счет энергии ядерного магнитного дипольного момента, взаимодействующего с магнитным полем, создаваемым электронами, и энергии ядерного электрического квадрупольного момента в градиенте электрического поля. Это происходит из-за распределения заряда внутри атома.
Рисунок 02: Модели тонкой и сверхтонкой структуры нейтрального атома водорода
Так же и сверхтонкая структура в молекуле возникает за счет воздействия энергии ядерного магнитного дипольного момента и магнитного поля, но дополнительно в нее входит и энергия, которая связана с различными магнитными ядрами в молекулах. Он также включает взаимодействие между ядерными магнитными моментами и магнитным полем, создаваемым вращением молекулы.
В чем разница между тонкой и сверхтонкой структурой?
В общем случае тонкая структура описывает расщепление спектральных линий атомов в результате спина электрона и релятивистских поправок к нерелятивистскому уравнению Шредингера. Ключевое различие между тонкой и сверхтонкой структурой состоит в том, что в тонких структурах расщепление линий является результатом изменения энергии, вызванного электронным спин-орбитальным взаимодействием, тогда как в сверхтонких структурах расщепление линий является результатом взаимодействия между магнитное поле и ядерный спин.
В таблице ниже приведены различия между тонкими и сверхтонкими структурами.
Резюме – тонкая и сверхтонкая структура
Тонкая структура – это расщепление спектральных линий атомов, происходящее в результате спина электрона и релятивистских поправок к нерелятивистскому уравнению Шредингера. Между тем сверхтонкая структура - это расщепление энергетических уровней в атомах, молекулах и ионах за счет взаимодействия электронных облаков с ядром. Ключевое различие между тонкой и сверхтонкой структурой состоит в том, что в тонких структурах расщепление линий является результатом изменения энергии, вызванного электронным спин-орбитальным взаимодействием, тогда как в сверхтонких структурах расщепление линий является результатом взаимодействия между магнитное поле и ядерный спин.
