Введение

Соединение в квантовой физике

В квантовой механике соединение углового момента — это процедура построения собственных состояний полного углового момента из собственных состояний отдельных угловых моментов. Например, орбитальное и спиновое движения одной частицы могут взаимодействовать посредством спин-орбитального взаимодействия, в этом случае полная физическая картина должна включать спин-орбитальную связь. Или две заряженные частицы, каждая с чётко определённым угловым моментом, могут взаимодействовать кулоновскими силами, в этом случае соединение двух одночастичных угловых моментов в полный угловой момент является полезным шагом при решении двухчастичного уравнения Шрёдингера. В обоих случаях отдельные угловые моменты перестают быть константами движения, но сумма двух угловых моментов обычно остаётся таковой. Соединение углового момента в атомах важно для атомной спектроскопии. Взаимодействие спинов электронов важно в квантовой химии. Также в ядерной оболочечной модели соединение углового момента широко распространено. В астрономии спин-орбитальная связь отражает общий закон сохранения углового момента, который справедлив и для небесных систем. В простых случаях направление вектора углового момента игнорируется, а спин-орбитальная связь определяется как отношение между частотой вращения планеты или другого небесного тела вокруг своей оси и частотой его обращения вокруг другого тела. Это более известно как орбитальный резонанс. Часто лежащими в основе физическими эффектами являются приливные силы.

Спиральная/орбитальная сцепка

Поведение атомов и более мелких частиц хорошо описывается теорией квантовой механики, в которой каждая частица обладает внутренним угловым моментом, называемым спином, и конкретные конфигурации (например, электронов в атоме) описываются набором квантовых чисел. Совокупности частиц также имеют угловые моменты и соответствующие квантовые числа, и в различных условиях угловые моменты составляющих частей соединяются различными способами, формируя угловой момент целого. Сочетание угловых моментов – это категория, включающая некоторые из способов взаимодействия субатомных частиц друг с другом. В атомной физике спин-орбитальное взаимодействие, также известное как спиновое сочетание, описывает слабое магнитное взаимодействие, или сочетание, спина частицы и её орбитального движения, например, спина электрона и его движения вокруг атомного ядра. Одним из его проявлений является расщепление энергии внутренних состояний атома, например, состояний с параллельными и антипараллельными спинами, которые в противном случае имели бы одинаковую энергию. Это взаимодействие отвечает за многие детали атомной структуры. В физике твердого тела спин-орбитальное взаимодействие может приводить к расщеплению энергетических зон вследствие эффектов Дрессельхауза или Рашбы. В макроскопической области орбитальной механики термин спин-орбитальное взаимодействие иногда используется в том же смысле, что и спин-орбитальный резонанс.

jj сцепление

В более тяжелых атомах ситуация иная. В атомах с большими ядерными зарядами спин-орбитальные взаимодействия часто сопоставимы по величине или превосходят спин-спиновые и орбита-орбитальные взаимодействия. В этом случае каждый орбитальный угловой момент ℓi стремится объединиться с соответствующим спиновым угловым моментом si, формируя собственный полный угловой момент ji. Затем эти моменты соединяются, образуя полный угловой момент J. Это описание, упрощающее расчеты подобного взаимодействия, известно как схема jj-связи.

Символы терминов

Терминовые символы используются для представления состояний и спектральных переходов атомов, которые определяются посредством комбинации упомянутых выше угловых моментов. Когда состояние атома задано терминовым символом, разрешенные переходы можно определить, используя правила отбора, и рассматривая, какие переходы сохраняют угловой момент. Фотон имеет спин 1, и при переходе с испусканием или поглощением фотона атом должен изменить свое состояние для сохранения углового момента. Правила отбора для терминовых символов: ΔS = 0; ΔL = 0, ±1; Δl = ±1; ΔJ = 0, ±1.

Выражение "терминовый символ" происходит от "термических серий", связанных с состояниями атома Ридберга и их энергетическими уровнями. В формуле Ридберга частота или волновое число света, излучаемого атомом, подобным водороду, пропорционально разности между двумя членами перехода. Серии, известные ранним спектроскопистам, были обозначены как острые, главные, диффузные и фундаментальные, и, следовательно, буквы S, P, D и F использовались для обозначения состояний орбитального углового момента атома.

Релятивистские эффекты

В очень тяжелых атомах релятивистский сдвиг энергий электронных уровней усиливает спин-орбитальное взаимодействие. Таким образом, например, при рассмотрении взаимодействий с другими атомами в молекулярно-орбитальные диаграммы урана необходимо непосредственно включать релятивистские символы.

Ядерная связь

В атомных ядрах спин-орбитальное взаимодействие намного сильнее, чем для атомных электронов, и непосредственно включается в модель ядерных оболочек. Кроме того, в отличие от атомных электронных термов, состояние с наименьшей энергией описывается не как L − S, а как ℓ + s. Таким образом, все ядерные уровни, для которых значение ℓ (орбитального углового момента) больше нуля, расщепляются в модели оболочек, образуя состояния, обозначаемые как ℓ + s и ℓ − s. В силу природы модели оболочек, которая предполагает усредненный потенциал, а не центральный кулоновский потенциал, нуклоны, занимающие состояния ℓ + s и ℓ − s, считаются вырожденными внутри каждой орбитали (например, орбиталь 2p содержит четыре нуклона, все с одинаковой энергией. Более высокие по энергии состояния 2p содержат два нуклона с одинаковой энергией).