미세구조

요약 원자가 아주 근접한 에너지준위를 가질 때, 이 준위의 그룹에 대응하여 원자의 스펙트럼선에 파장이 근접한 몇 개의 선이 한 무리가 되어 관찰되는 현상으로 주로 가벼운 원자에서 관찰된다. 동일한 n과 l로 지정되는 준위는 정확히 일치하지만, i의 서로 다른 값에 대응하는 l의 값에 따라 비상대론적 이론의 결과와는 약간의 차이가 있는데 이것은 미세구조상수 α의 제곱에 비례한다.

이 미세구조는 주로 가벼운 원자에서 관찰할 수 있으며, 특히 수소 및 헬륨의 원자스펙트럼의 미세구조가 중요하다. 미세구조를 갖는 한 무리의 에너지준위 각각은 주양자수 n의 값은 같으나, 방위양자수인 전궤도 각운동량의 양자수 l 및 전각운동량의 양자수 i는 다른 값으로 지정한다. 수소 원자와 같은 1전자 원자인 경우, N.H.D.보어의 고전양자론 또는 W.하이젠베르크와 E.슈뢰딩거의 비상대론적 양자역학에 따르면 동일한 n과 l로 지정되는 준위는 정확히 일치한다.

그러나 P.디랙의 전자의 상대론적 양자역학에 따르면, 동일한 n과 i에 의해 지정된 준위는 정확히 일치하지만 i의 서로 다른 값에 대응하는 l의 값에 따라 비상대론적 이론의 결과와는 약간의 차이가 있다는 사실이 밝혀졌다. 이 차이는 상수 알파 α(=e²/2ε₀hc : e는 전자하전, ε₀는 진공에서 유전율, h는 플랑크상수, c는 광속)의 제곱에 비례한다. 이 상수 α는 무차원수로서, 약 1/137(정확히 0.00729729±0.00000003)에 해당하며, 이것을 미세구조상수라고 한다.

1947년 W.E.램은 초단파분광학 기술인 자기공명법을 이용하여 수소 원자 준위를 정밀하게 측정한 결과 램이동을 밝혀냈다. 한편, 2개 이상의 전자를 가진 원자의 에너지 준위의 경우에도 전자의 궤도 전류와 스핀 전류와의 상호작용에 의해 알파제곱 α²에 비례하는 준위차로서 미세구조가 생긴다. 그 차이는 가벼운 원자의 경우에는 확실히 미세하지만, 무거운 원자의 경우에는 1eV, 파장으로 해서 수호나 된다고 한다.

한편, 분자가 서로 다른 회전준위에 대응하는 분자스펙트럼선의 분기에 대해서도 미세구조라고 하는 경우가 있다. 원자스펙트럼선은 원자핵의 스핀 상태에 따라서 더욱 미세하게 나눌 수 있는데, 이와 같은 종류의 구조를 초미세구조라 하여 구별하고 있다.