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この項目では、原子物理学の用語 (Hyperfine structure)について説明しています。原子物理学の別の用語については「微細構造 (原子物理学)」を、生物学の用語 (ultrastructure)については「微細構造」をご覧ください。
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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、原子や分子のエネルギー準位(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の磁気双極子モーメントと核磁気モーメントとの相互作用により起こる。
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

のオーダーである。ただし
- m は電子の質量
- mp は原子の質量
- α は微細構造定数 (1/137.036)
- c は光速
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、
は軌道角運動量、
は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
![\Delta E_{hfs} = - \vec{\mu}_I \vec{B}_J = \frac{a}{2} [ F(F+1) - I(I+1) - J(J+1)],](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6ff0409c3591bd0f1a78ae27bcbd5e1dd2e394a2)
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。
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年代の量子力学に依らなければできなかった。1924年にヴォルフガング・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。
関連項目[編集]