Feinstruktur (Physik)
Bezeichnung der Feinstruktur-Niveaus s. Termsymbol
Als Feinstruktur wird die Aufspaltung von einzelnen Spektrallinien in mehrere dicht beieinander liegende Linien innerhalb der Linienspektren von Atomen bezeichnet. Dies bedeutet, dass es im jeweiligen Atom Energieniveaus gibt, die sehr nahe zusammen liegen, da jede Spektrallinie einem Abstand von Energieniveaus zugeordnet werden kann.
Die Größenordnung dieser feineren Aufspaltung ist jedoch im Vergleich zu den übrigen Niveaus etwa 10.000-mal geringer, da die Korrekturen mit
Ursprung
Die Aufhebung der Entartung der Energieniveaus ist eine Folge der Dirac-Gleichung der relativistischen Quantenmechanik.[1] Um diese Effekte zu berücksichtigen, addiert man Korrekturterme zum nicht-relativistischen Hamiltonoperator
Die Korrekturterme zur nicht-relativistischen Schrödinger- bzw. Pauli-Gleichung sind im Einzelnen:
- die relativistische Korrektur der kinetischen Energie - die Spin-Bahn-Kopplung - der Darwin-Term als Korrektur der potentiellen Energie
Die Energieverschiebung, die man als Feinstruktur bezeichnet, ist dann entsprechend
Neben der Feinstruktur kann man auch noch feinere Strukturen in den Spektren beobachten: die Hyperfeinstruktur, welche jedoch kein relativistischer Effekt ist, sondern eine Wechselwirkung zwischen Elektron und Kernspin.
Im Wasserstoffatom
Beim Wasserstoffatom kann man relativistische Effekte, Spin-Bahn-Wechselwirkung und Darwin-Term zu folgender Formel für die Korrektur der Energieniveaus zusammenfassen[2]:
mit
- der Energie
der Niveaus im Wasserstoffatom ohne Feinstruktur- der Rydberg-Energie
- der Kernladungszahl
- der Hauptquantenzahl
- der Rydberg-Energie
- der Feinstrukturkonstante
[3] - der Gesamtdrehimpulsquantenzahl
.
Diese Formel verursacht für jedes mögliche