超微細構造
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 ( r = 0 {\displaystyle r=0} ) 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
m m p α 4 m c 2 {\displaystyle {\frac {m}{m_{p}}}\alpha ^{4}mc^{2}}
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 I → {\displaystyle {\vec {I}}} と電子の全角運動量 J → = L → + S → {\displaystyle {\vec {J}}={\vec {L}}+{\vec {S}}} (ここで、 L → {\displaystyle {\vec {L}}} は軌道角運動量、 S → {\displaystyle {\vec {S}}} 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 F → = J → + I → {\displaystyle {\vec {F}}={\vec {J}}+{\vec {I}}} となる。