平凡社 世界大百科事典

スピン軌道相互作用

粒子のスピン角運動量ベクトルと軌道角運動量ベクトルのなす角度に依存する相互作用。原子の中で電子が受ける平均ポテンシャル,原子核の中で中性子や陽子(両者を総称して核子という)が受ける平均ポテンシャルおよび2核子間のポテンシャルなどにはスピン軌道相互作用が含まれている。アルカリ金属,例えばナトリウムの原子の中では,芯のまわりに比較的緩く結合された1個の電子が運動している。この電子の軌道角運動量とスピン角運動量が平行か反平行かによって,そのエネルギーはわずかに異なり,ごく接近した2重の状態をなす。ナトリウムのD線がほぼ6Å離れた2重線になっているのはこの2重構造の反映である。この構造は,芯が電子に及ぼすスピン軌道相互作用のために生ずる。原子の中の電子に働くスピン軌道相互作用は,電子の運動を相対論的に記述するディラック方程式から導き出される。電子の速度vと光の速度cの比v/cについて方程式を展開し,(v/c2の項まで求めると,電子に対する相互作用の一部として,Vr)l・sという形のスピン軌道相互作用が得られる。ここでVr)は原子の中心から電子までの距離rの関数,lとsは電子の軌道およびスピン角運動量ベクトル,l・sは二つのベクトルのスカラー積である。原子核の中の核子が核内の他の核子から受ける平均ポテンシャルに含まれるスピン軌道相互作用はかなり強く,原子核の構造に大きな影響を及ぼしている。原子核を構成する中性子,または陽子の個数が魔法数と呼ばれる特殊な数に等しいときには,同じくらいの核子数をもつ他の原子核に比べてとくに安定である。このような特徴をはじめ原子核の多くの重要な性質は,平均ポテンシャル中に強いスピン軌道相互作用があるとした殻模型によって説明される。この相互作用は,2核子間のスピン軌道相互作用や同じくスピンの方向に依存するテンソル相互作用などからほぼ導き出すことができる。

寺沢 徳雄