精細結構（Fine structure）
精細結構（Fine structure）
台中縣縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯
測量原子光譜一般有兩種方式，可以使用電磁波照射原子，讓原子吸收允許躍遷的電磁波波段，再觀察被吸收的電磁波頻譜，此種方式稱為吸收光譜(absorption spectrum)，另一種測量方式，是激發大量的原子，使原子躍遷成激發態，接著原子會產生自發輻射(spontaneous emission)，自動回到基態並放出電磁波，若使用感光片測量其電磁波頻譜，此種方式所量到的光譜，稱為輻射光譜(emission spectrum)。
物理學家注意到一件特別的事，在使用高鑑別率的分光儀器觀測時，有些原本看起來只有一條的光譜線，在仔細觀察後發現有分裂的現象，這種現象稱為光譜的精細結構(fine structure)，其光譜分裂的能階差，約為 $$10^{-4}$$ 電子伏特 $$(eV)$$，以氫原子為例，當時的波耳氫原子模型理論，並無法解釋精細結構的原因，因為氫原子的能階為
$$E_n=\displaystyle-\frac{13.6}{n^2}~eV~~~~,n=1,2,\cdots$$
其中之 $$n$$ 稱為主量子數，不同的狀態 $$n$$ 會對應不同的能階，因此不存在能階簡併的情形，所謂的能階簡併(degeneracy)，指的是處於不同狀態的粒子，但卻對應相同能階的情形，而要破除能階簡併的行為，就需要有微擾，可以想像成用外力把能階拉開的樣子，因此必須先有能階簡併的情形，接著因為微擾而破除簡併，造成光譜分裂，也就是所謂的精細結構，但目前氫原子能階的量子狀態數僅有一種，就是主量子數 $$(n)$$，所以物理學家猜測有其他的量子狀態存在，並影響了能階，後來發現主導粒子狀態的，還有所謂的角量子數 $$(l)$$、以及電子自旋量子數 $$(s)$$ 等許多量子數，不過在此只討論這兩項，其他量子數不再贅述。
發現了其他量子數，就可以解釋能階簡併的情形，例如氫原子中相同能階的電子，不論自旋向上或向下都會對相同能階，接著討論微擾破除簡併的情形，事實上，造成精細結構的原因有兩個，第一個是自旋-軌道偶合(LS coupling)，其二則是相對論效應，想像電子繞著原子核做圓周運動而產生磁場(僅是為了幫助建構數學模型，真實的情況並非如此)，這個磁場反過來對自旋的電子作用，影響自旋的方向，如此一來電子自旋的磁矩也會和磁場作用，產生能量，這就是所謂的自旋-軌道偶合，相對論修正則是在計算電子動能時，使用相對論修正動能，而非使用古典動能，考慮相對論的結果，發現能階也會有微小的偏移。以上兩者根據量子力學的計算結果，其能階偏移都在 $$10^{-4}~eV$$ 的數量級，滿足實驗觀察的結果，精細結構才得以解釋其原因。
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