Сверхтонкая структура оптических спектров

Отличное от нуля значение спина ядра J является причиной возникновения сверхтонкой структуры оптических спектров.
Как известно, электрон обладает полным механическим моментом количества движения , который складывается из его собственного механического момента = и орбитального момента

= + = + .

Механический момент атома , обусловленный электронной оболочкой атома, складывается из механических моментов количества движения его электронов

= ₁ + ₂ +... + _n,

где n – число электронов в атоме.
Электроны внутренних заполненных оболочек атома имеют суммарный момент _внутр= 0. Поэтому механический момент электронной оболочки атома определяется электронами внешних оболочек. Механическому моменту атома , который называют спином электронной оболочки атома, соответствует магнитный момент

_атома = g .

Величина g называется гиромагнитным отношением. Вектора _атома и коллинеарны.

Среднее магнитное поле _e, создаваемое внешними электронами в центре атома, там, где расположено атомное ядро, зависит от спин электронной оболочки :

Магнитный момент ядра _ядра также можно выразить через значение его спина :

= ₁ + ₂ +... + _n = ₁ + _{1 + 2} + _{2 =}... + _n + _n,

где _i – собственный механический момент нуклона, _i – орбитальный механический момент нуклона, _i – полный механический момент нуклона.
Магнитный момент ядра связан с его механическим моментом следующим соотношением:

Энергия взаимодействия E магнитного момента ядра _ядра с магнитным полем внешних электронов атома _e определяется соотношением

и зависит от взаимной ориентации спинов ядра и внешней электронной оболочки .
При учёте спина атомного ядра I полный механический момент количества движения атома (спин атома) складывается из механического момента (спина) электронной оболочки и полного механического момента (спина) ядра :

= + .

Согласно законам квантовой механики квадрат момента любой изолированной системы может принимать только целые или полуцелые значения:

² = ћ ²I(I+1),
² = ћ ²J(J+1),
² = ћ ²F(F+1).

Энергия взаимодействия E магнитного момента ядра _ядра с магнитным полем _e электронной оболочки будет принимать дискретные значения, определяемые суммарным моментом :

(I+J), (I+J−1), … |I−J|.

Каждому возможному значению будет соответствовать отдельный уровень.
Если величина спина ядра меньше величины спина электронной оболочки атома , то величина спина ядра может быть определена по числу линий сверхтонкого расщепления оптического спектра атома. Для возбуждения уровней сверхтонкой структуры атомных спектров используется лазерное излучение.
На Рис. 3 приведён спектр сверхтонкого расщепления уровней I = 9/2 и 11/2 атома ⁵⁹Co. Из того, что число линий сверхтонкого расщепления N = 8 следует, что спин ядра J(⁵⁹Co) = 7/2.

Рис. 3. Сверхтонкое расщепление уровней (изображены без соблюдения масштаба). Слева - нерасщепленные уровни, справа – расщепленные уровни атома ⁵⁹Co.