この項目では、原子物理学の用語 (Hyperfine structure) について説明しています。

原子物理学の別の用語については「微細構造 (原子物理学)」をご覧ください。

生物学の用語 (ultrastructure) については「微細構造」をご覧ください。

.mw-parser-output .ambox{border:1px solid #a2a9b1;border-left:10px solid #36c;background-color:#fbfbfb;box-sizing:border-box}.mw-parser-output .ambox+link+.ambox,.mw-parser-output .ambox+link+style+.ambox,.mw-parser-output .ambox+link+link+.ambox,.mw-parser-output .ambox+.mw-empty-elt+link+.ambox,.mw-parser-output .ambox+.mw-empty-elt+link+style+.ambox,.mw-parser-output .ambox+.mw-empty-elt+link+link+.ambox{margin-top:-1px}html body.mediawiki .mw-parser-output .ambox.mbox-small-left{margin:4px 1em 4px 0;overflow:hidden;width:238px;border-collapse:collapse;font-size:88%;line-height:1.25em}.mw-parser-output .ambox-speedy{border-left:10px solid #b32424;background-color:#fee7e6}.mw-parser-output .ambox-delete{border-left:10px solid #b32424}.mw-parser-output .ambox-content{border-left:10px solid #f28500}.mw-parser-output .ambox-style{border-left:10px solid #fc3}.mw-parser-output .ambox-move{border-left:10px solid #9932cc}.mw-parser-output .ambox-protection{border-left:10px solid #a2a9b1}.mw-parser-output .ambox .mbox-text{border:none;padding:0.25em 0.5em;width:100%;font-size:90%}.mw-parser-output .ambox .mbox-image{border:none;padding:2px 0 2px 0.5em;text-align:center}.mw-parser-output .ambox .mbox-imageright{border:none;padding:2px 0.5em 2px 0;text-align:center}.mw-parser-output .ambox .mbox-empty-cell{border:none;padding:0;width:1px}.mw-parser-output .ambox .mbox-image-div{width:52px}html.client-js body.skin-minerva .mw-parser-output .mbox-text-span{margin-left:23px!important}@media(min-width:720px){.mw-parser-output .ambox{margin:0 10%}}

この記事は検証可能な参考文献や出典が全く示されていないか、不十分です。出典を追加して記事の信頼性向上にご協力ください。（このテンプレートの使い方）
出典検索?: "超微細構造" ? ニュース ・ 書籍 ・ スカラー ・ CiNii ・ J-STAGE ・ NDL ・ dlib.jp ・ ジャパンサーチ ・ TWL（2015年9月）
水素における微細構造 (fine structure) と超微細構造 (hyperfine structure)

超微細構造（英: Hyperfine structure）とは、原子物理学において、原子や分子のエネルギー準位（あるいはスペクトル）に含まれる小さな分裂を表す。これは運動する電子の磁気双極子モーメントと核磁気モーメントとの相互作用により起こる。
理論

古典物理学的に考えると、原子核の周りを回る電子は電荷を持つため磁気双極子モーメントを持つ。この磁気双極子モーメントと（核スピンによる）核磁気モーメントとの相互作用が超微細分裂を引き起こす。

しかし、電子スピンがあるため、軌道角運動量がゼロのs亜殻電子についても超微細分裂が起こる。ここで、電子の確率密度は核の内部 ( r = 0 {\displaystyle r=0} ) でもゼロにならないため、磁気双極子相互作用はより強い。

水素原子の超微細分裂とボーアのエネルギー準位との関係は m m p α 4 m c 2 {\displaystyle {\frac {m}{m_{p}}}\alpha ^{4}mc^{2}}

のオーダーである。ただしm は電子の質量mp は原子の質量α は微細構造定数 (1/137.036)c は光速

である。

水素以外の原子については、核スピン量子数 I → {\displaystyle {\vec {I}}} と電子の全角運動量 J → = L → + S → {\displaystyle {\vec {J}}={\vec {L}}+{\vec {S}}} (ここで、 L → {\displaystyle {\vec {L}}} は軌道角運動量、 S → {\displaystyle {\vec {S}}} はスピン角運動量を表す。)とが結び付き、原子の全角運動量 F → = J → + I → {\displaystyle {\vec {F}}={\vec {J}}+{\vec {I}}} となる。

したがって超微細分裂は Δ E h f s = − μ → I B → J = a 2 [ F ( F + 1 ) − I ( I + 1 ) − J ( J + 1 ) ] , {\displaystyle \Delta E_{hfs}=-{\vec {\mu }}_{I}{\vec {B}}_{J}={\frac {a}{2}}[F(F+1)-I(I+1)-J(J+1)],}

となる。ただし a = g I μ → N B → J J ( J + 1 ) , {\displaystyle a={\frac {g_{I}{\vec {\mu }}_{N}{\vec {B}}_{J}}{\sqrt {J(J+1)}}},}

であり、 μ → N {\displaystyle {\vec {\mu }}_{N}} は核の磁気双極子モーメントである。

この関係は「エネルギー準位は ( J + I ) − 。 J − I 。 + 1 {\displaystyle (J+I)-|J-I|+1} に分裂する」というランデの間隔則 (Lande interval rule) に従う。

Δ E h f s ≈ ℏ {\displaystyle \Delta E_{hfs}\approx \hbar } であり、超微細構造は微細構造よりも更に微細である。

より詳細な議論のためには、核四重極モーメントについても考慮する必要がある。これは hyperfine structure anomaly と呼ばれる。
歴史

超微細構造は1881年に既にアルバート・マイケルソンにより光学的に観測されていた。しかし、説明は1920年代の量子力学に依らなければできなかった。1924年にヴォルフガング・パウリは核磁気モーメントを理論的に提案した。

1935年に M. Schiiler と T. Schmidt はhyperfine structure anomalyを説明するために核四重極モーメントを提案した。
応用

この節の加筆が望まれています。

関連項目

エネルギー準位

量子数

21cm線

典拠管理データベース: 国立図書館

ドイツ

日本