Feinstruktur (Physik)

Bei der genauen Betrachtung von Linienspektren von Atomen beobachtet man eine Feinstruktur. Diese zeigt sich darin, dass einzelne Linien eines Spektrums in zwei oder mehrere sehr nahe beieinanderliegende Linien aufgespalten sind. Dies bedeutet, dass es im jeweiligen Atom Energieniveaus gibt die sehr nahe zusammen liegen, da jede Spektrallinie einem Energieniveau zugeordnet werden kann.

Die Größenordnung dieser feineren Aufspaltung ist jedoch im Vergleich zu den übrigen Niveaus etwa

Diese Aufhebung der Entartung der Energieniveaus ist eine Folge der Geschwindigkeitsabhängigkeit der Masse, der Spin-Bahn-Kopplung und einem Effekt, der durch den Darwin-Term beschrieben wird.

Um diese Effekte in der relativistischen Quantenmechanik zu berücksichtigen, addiert man zum Hamiltonoperator des Systems Korrekturterme. In erster Ordnung lautet der Hamiltonoperator dann:

wobei m_ec² die Ruheenergie des Elektrons und H₀ der nichtrelativistischen Hamiltonoperator ist.

ist der Korrekturterm zur relativistischen Masse,

Neben der Feinstruktur kann man allerdings auch noch feinere Strukturen beobachten: die Hyperfeinstruktur.

Geschichtliches

Für seine Entdeckungen über die Feinstruktur des Wasserstoff-Spektrums erhielt Willis Eugene Lamb 1955 den Nobelpreis für Physik.