спин-орбитальное взаимодействие

СПИН-ОРБИТАЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

взаимодействие между магн. моментами, связанными со спиновыми и орбитальными моментами количества движения электронов и ядер в квантовой системе — атоме, молекуле, кристалле и т. п. С.-о.в. обусловливает вклад в энергию системы, которому отвечают три слагаемых гамильтониана в уравнении Шрёдингера. Первое слагаемое связано с магн. полем, возникающим при перемещении электрона относительно ядра в электрич. поле ядра и действующим на спиновый магн. момент; второе — с магн. полем, возникающим при движении данного электрона в электрич. поле всех остальных электронов, третье — с взаимод. спинового магн. момента данного электрона с магн. полями, создаваемыми всеми остальными электронами при их движении.

Для электронов i и j с радиусами-векторами r_i и r_j и импульсами (Моментами количества движения) p_i и p_j их С.-о. в. друг с другом и с ядрами а, заряды которых равны Z_α (в единицах элементарного заряда е) и радиусы-векторы R_α, приводит к дополнит. вкладу в гамильтониан системы, состоящему из след. трех сумм:

где ђ и m_В-постоянная Планка и магнетон Бора соотв.; R_iα = r_i-R_α, r_ij=r_i — r_j (r_ij-длина вектора r_ij); I_iα = = (r_i — R_α)x p_i — момент количества движения i-го электрона относительно начала системы координат на ядре α, р_ij = =p_i — p_j, I_ij = r_ij x p_i, s_i-оператор спина i-го электрона.

Из этих сумм, как правило, осн. вклад в энергию системы дает первая, тогда как вторая и третья (их обычно наз. "взаимодействия спин-другая орбиталь") дают значительно меньшие вклады. Если ими пренебречь, оператор С.-о. в. сводится к следующему:

где

С.-о.в. приводит к расщеплению вырожденных уровней мультиплета, что проявляется в атомных и мол. спектрах как тонкая структура. Так, вследствие С.-о.в. низший возбужденный уровень атомов щелочных металлов расщепляется на два: ²P_1/2 и ²Р_3/2, где индекс внизу указывает квантовое число полного момента количества движения электрона на внеш. оболочке пр. Для Na (Z = 11, n = 3) это расщепление составляет 17,2см⁻¹, для К (Z=19, n = 4) 57,7 см ⁻¹, для Cs (Z =55, n = 6) 554,1 см ⁻¹. У атомов галогенов расщепление уровней для np-электронов еще больше, а постоянные С.-о.в. таковы: для F 272 см ⁻¹, для Cl 587 см ⁻¹, для I 5060 см ⁻¹. При достаточно сильном С.-о.в. понятие мультиплетности термов вообще теряет смысл и рассматривается лишь полный момент количества движения электронов, а не спин и орбитальный момент в отдельности. Запрет на квантовые переходы между уровнями с разной мультиплетностью при наличии С.-о.в. снимается, что приводит, напр., к фосфоресценции — излучат. переходу из состояний с временами жизни, обратно пропорциональными квадратам матричных элементов оператора С.-о.в., и к ин-теркомбинац. конверсии (см. люминесценция, фотохимические реакции). Поскольку время фосфоресценции зависит не только непосредственно от времени жизни "фосфоресцирующего" состояния рассматриваемых молекул, но и от среды, в которой они находятся, для учета этой зависимости вводят представление о межмолекулярном С.-о.в. У двухатомных и линейных многоатомных молекул соотношение С.-о.в. и др. взаимодействий, напр. спин-вращательного, позволяет выделять разл. случаи связи спинов, орбитальных и др. моментов (см. хунда случаи связи), что дает возможность для каждого случая связи проводить специфич. классификацию квантовых состояний молекулы.

В выражении для H_SO не представлен член, отвечающий взаимод. ядерного магн. спинового момента и орбитального момента электронов, , g_α-g-фактор ядра α, m_N- ядерный магнетон, I_α- ядерный спин. Связанное с этим членом расщепление уровней заметно меньше, чем обусловленное С.-о.в.; напр., для электронного состояния ²Р_1/2 атома Na величина a_iα составляет 94,5 МГц, а для состояния ²Р_3/2-19,1 МГц, т. е. примерно 0,003–0,001 см⁻¹. Обычно член Я выделяют (вместе с др. членами того же порядка малости) в орбитальное сверхтонкое взаимодействие, или сверхтонкое ядерное магн. взаимодействие, проявляющееся в спектрах ЭПР (см. электронный парамагнитный резонанс).

^{Лит. см. при ст. спин.}

_{Н. В. Степанов}

Значения в других словарях

1. СПИН-ОРБИТАЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ — Взаимодействие ч-ц, зависящее от величины и взаимной ориентации их орбитального и спинового моментов кол-ва движения и приводящее к т. н. тонкой структуре уровней энергии системы. С.-о. в.— релятив.  Физический энциклопедический словарь
2. Спин-орбитальное взаимодействие — Взаимодействие частиц, зависящее от величин и взаимной ориентации их орбитального и спинового моментов количества движения и приводящее к т. н. тонкому расщеплению уровней энергии системы (см. Тонкая структура). С.-о. в. — релятивистский эффект (См.  Большая советская энциклопедия
3. СПИН-ОРБИТАЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ — СПИН-ОРБИТАЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ — взаимодействие частиц, зависящее от величин и взаимной ориентации их спинового и орбитального моментов; обусловливает тонкую структуру уровней энергии системы.  Большой энциклопедический словарь