超微細構造

超微細構造（）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。

理論
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

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 
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。

応用

関連項目
 エネルギー準位
 量子数
 21cm線

原子物理学