スピン軌道相互作用
スピン軌道相互作用(英: Spin orbit coupling、稀に英: Spin orbit interaction)とは電子のスピンと、電子の軌道角運動量との相互作用のこと。
相対論的に取り扱われるディラック方程式(相対論的量子力学)では自然に導入される概念である。スピン軌道相互作用により、縮退していた電子のエネルギー固有値が分裂する。
ゲッパート=マイヤーとイェンセンは、原子核の問題について、スピン軌道相互作用を導入した殻模型を用いれば、その準位の分裂から、実験的に知られていた安定な核子数、魔法数を説明できることを発見し、ノーベル賞を受賞した。
原子の最外殻電子ではスピン軌道相互作用によりスピン・軌道角運動量の向きがそろうことがある。常温の範囲では分裂した準位(LS多重項という)の中で最低エネルギーをもつ準位に状態がある確率が高い。最低エネルギーの多重項を知るためにフントの規則とよばれる実験則が有効である。
水素原子内の電子は陽子のまわりを回転しているが、これを電子の上に乗っている人から見ると、電子のまわりを陽子が回転しているように見える。回転している陽子は円形電流とみなすことができ、ビオ・サバールの法則により、それは電子上に磁場 B {\displaystyle \mathbf {B} } を作る。その磁場が電子のスピンによる磁気双極子モーメント μ {\displaystyle \mathbf {\mu } } に作用する。この相互作用は B ⋅ μ {\displaystyle \mathbf {B} \cdot \mathbf {\mu } } に比例する。 μ {\displaystyle \mathbf {\mu } } はスピン角運動量 s {\displaystyle \mathbf {s} } に比例している。一方で陽子のつくる磁場 B {\displaystyle \mathbf {B} } は陽子の磁気双極子モーメント μ ( P ) {\displaystyle \mathbf {\mu ^{(P)}} } に比例し、その μ ( P ) {\displaystyle \mathbf {\mu ^{(P)}} } は陽子の軌道角運動量 L {\displaystyle \mathbf {L} } に比例している。したがってこの場合の電子-陽子間の相互作用エネルギーは s ⋅ L {\displaystyle \mathbf {s\cdot L} } に比例する。