Спин-орбитальное взаимодействие

Спин-орбитальное взаимодействие — в квантовой физике взаимодействие между движущейся частицей и её собственным магнитным моментом, обусловленным спином частицы. Наиболее часто встречающимся примером такого взаимодействия является взаимодействие электрона, находящегося на одной из орбит в атоме, с собственным спином. Такое взаимодействие, в частности, приводит к возникновению так называемой тонкой структуры энергетического спектра электрона и расщеплению спектроскопических линий атома.

Вывод гамильтониана спин-орбитального взаимодействия

Спин-орбитальное взаимодействие является релятивистским эффектом, поэтому для вывода части гамильтониана, отвечающей данному взаимодействию, следует отталкиваться от уравнения Дирака с учтённым в гамильтониане вкладом от внешнего электромагнитного поля с векторным потенциалом A и скалярным потенциалом φ, для чего в уравнении Дирака, согласно лагранжеву формализму, нужно произвести замену <math> \mathbf {p} \rightarrow \mathbf {p} - (e/c) \mathbf {A} </math> и <math>E \rightarrow E +e \varphi </math>. В итоге уравнение Дирака принимает вид:

<math>i \hbar {\frac{\partial \psi}{\partial t}} = [c \boldsymbol \alpha (\mathbf p - {\frac{e}{c}} \mathbf A ) + \beta m c^2 + e \varphi ] \psi </math>,

где <math> \beta = \begin{pmatrix} \mathbf 1 & 0 \\ 0 & -\mathbf 1\\ \end{pmatrix}, \quad \boldsymbol \alpha = \begin{pmatrix} 0 & \boldsymbol \sigma \\ \boldsymbol \sigma & 0\\ \end{pmatrix} </math>

<math> \sigma_i </math> — матрицы Паули

<math> \sigma_x = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \\ \end{pmatrix}, \quad \sigma_y = \begin{pmatrix} 0 & -i \\ i & 0 \\ \end{pmatrix}, \quad \sigma_z = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & -1 \\ \end{pmatrix}, \quad \ \mathbf 1 = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \\ \end{pmatrix}. </math>

Из данного Гамильтониана видно, что волновая функция ψ должна быть четырёхкомпонентной, причём известно, что две её компоненты соответствуют решениям с положительной энергией, а две — с отрицательной. Роль решений с отрицательной энергией мала при рассмотрении вопросов, связанных с магнитными явлениями, поскольку дырки в спектре отрицательной энергии соответствуют позитронам, для образования которых нужна энергия порядка <math> m c^2 </math>, что значительно превышает энергию, связанную с магнитными явлениями. В связи с вышесказанным удобно воспользоваться каноническим преобразованием Фолди и Ваутхайзена , которое разбивает уравнение Дирака на пару двухкомпонентных уравнений. Одно из которых описывает решения с отрицательной энергией, а другое с положительной и имеет Гамильтониан следующего вида:

<math> \mathcal H = \left [ mc^2 + \frac{1}{2m} \left ( {\mathbf p} - \frac{e}{c} {\mathbf A} \right )^2 - \frac{p^4}{8m^3c^2} \right ] + {e \varphi} - \frac{e \hbar}{2mc} {\boldsymbol \sigma} \cdot {\mathbf H} + \left \{ - i {\frac{e \hbar^2}{8 m^2 c^2}} {\boldsymbol \sigma} \cdot {\nabla} \times {\mathbf E} - {\frac{e \hbar}{4 m^2 c^2}}{\boldsymbol \sigma} \cdot {\mathbf E} \times {\mathbf p} \right \} - \frac{e \hbar^2}{8 m^2 c^2} {\nabla} \cdot {\mathbf E} . </math>

Члены, заключённые в фигурные скобки, характеризуют спин-орбитальное взаимодействие. В частности, если электрическое поле центрально-симметричное, то имеем <math> \nabla \times \mathbf E = 0</math>, и Гамильтониан спин-орбитального взаимодействия принимает вид:

<math> \mathcal H_{so}= - { \frac{e \hbar}{4 m^2 c^2}}{\boldsymbol \sigma} \cdot {\mathbf E} \times {\mathbf p} = {\frac{\hbar}{4 m^2 c^2}} {\frac{1}{r} \frac{\partial V}{\partial r}} {\boldsymbol \sigma} \cdot {\mathbf r} \times {\mathbf p} = {\frac{\hbar}{4 m^2 c^2}} {\frac{1}{r} \frac{\partial V}{\partial r}} {\boldsymbol \sigma} \cdot {\mathbf L}, </math>

где <math> \mathbf L = \mathbf r \times \mathbf p </math> — оператор углового момента электрона.

Данный результат согласуется с классическим выражением, описывающим взаимодействие спина электрона с полем обусловленным орбитальным движением электрона. Поясним это.

Классическое выражение энергии спин-орбитального взаимодействия для атомарного электрона

Пусть электрон движется равномерно и прямолинейно со скоростью v в поле ядра, помещённого в начале системы координат 1 и которое создаёт кулоновское поле <math>e \mathbf E = - {\frac{\mathbf r}{r} \frac{\partial V}{\partial r}}</math>. В системе координат 2, связанной с движущимся электроном, наблюдатель будет видеть движущееся ядро, которое создает как электрическое, так и магнитное поле, с напряженностью E' и H', соответственно. Как следует из теории относительности E' и H' связаны с Е следующими соотношениями:

<math>\mathbf E'=\mathbf E,\quad \mathbf H' \approx - \frac{1}{c}\mathbf v \times \mathbf E = - \frac{1}{m c}\mathbf p \times \mathbf E. </math>

Где отброшены члены порядка <math>v^2/c^2.</math>

Тогда уравнение изменения спинового момента количества движения <math> \mathbf S = \frac{\hbar}{2}\boldsymbol \sigma { } </math> (связанного, согласно гипотезе Уленбека — Гаудсмита, гиромагнитным отношением с магнитным моментом <math> \boldsymbol \mu </math>, как <math> \frac{ |\boldsymbol \mu |}{| \mathbf S |} = \frac{|e|}{mc} { } </math>) в системе координат 2 будет иметь вид:

<math>\frac{d \mathbf S}{dt}=\mu \times \mathbf H' = - \frac{e \hbar}{2 m^2 c^2} \boldsymbol \sigma \times \left [ \mathbf p \times \mathbf E \right ]. </math>

Это уравнение соответствует взаимодействию спина электрона с электромагнитным полем, которое описывается Гамильтонианом следующего вида:

<math> \mathcal H'_{so} = \frac{e \hbar}{2 m^2 c^2} \boldsymbol \sigma \cdot \mathbf p \times \mathbf E. </math>

Заметим, что вид гамильтониана с точностью до множителя 1/2 совпадает с видом спин-орбитальной части Гамильтониана полученного из уравнения Дирака с помощью преобразования Фолди и Ваутхайзена. Отсутствие этого множителя связано с тем, что уравнение изменения магнитного момента электрона будет верно только в том случае, если система 2 не будет вращающейся, в противном случае это уравнение, из-за прецессии Томаса, должно иметь вид

<math>\frac{d \mathbf S}{dt}=\frac{e \hbar}{2 m c} \boldsymbol \sigma \times \mathbf H' - \omega_{T} \times \mathbf S ,</math>

где <math>\omega_{T}</math> — томосовская угловая скорость вращения.

Электрон в атоме ускоряется экранированным кулоновским полем поэтому томосовская угловая скорость описывается соотношением

<math>\omega_{T} \approx \frac{1}{2 m^2 c^2}{\frac{1}{r} \frac{\partial V}{\partial r}} [\mathbf r \times \mathbf p] </math>

Таким образом Гамильтониан спин-орбитального взаимодействия будет иметь вид:

<math> \mathcal H_{so} = \frac{\hbar}{2 m^2 c^2} \frac{1}{r}\frac{dV}{dr} \boldsymbol \sigma \cdot \mathbf r \times \mathbf p - \frac{\hbar}{4 m^2 c^2}{\frac{1}{r} \frac{\partial V}{\partial r}} \boldsymbol \sigma \cdot \mathbf r \times \mathbf p = \frac{\hbar}{4 m^2 c^2}{\frac{1}{r} \frac{\partial V}{\partial r}} \boldsymbol \sigma \cdot \mathbf r \times \mathbf p,</math>

Что в точности совпадает с ранее полученным результатом.

См. также

• Эффект Рашбы

Литература

• Степанов Н. Ф.. Квантовая механика и квантовая химия. — М.: Мир, 2001. — С. 391—398. — 519 с. — 5000 экз. — ISBN 5-03-003414-5.
• Уайт Р. Квантовая теория магнетизма. Пер. с англ. 2-е изд., испр. и. доп. — М.: Мир, 1985. — 304 с.
• Бьёркен Дж. Д., Дрелл С. Д. Релятивистская квантовая теория. Том 2. — ИО НФМИ, 2000. — 296 с.
• Джексон Дж. Классическая электродинамика. — М.: Мир, 1965. — 703 с.

Отрывок, характеризующий Спин-орбитальное взаимодействие

– Всё такой же, – отвечала Анна Михайловна, – любезен, рассыпается. Les grandeurs ne lui ont pas touriene la tete du tout. [Высокое положение не вскружило ему головы нисколько.] «Я жалею, что слишком мало могу вам сделать, милая княгиня, – он мне говорит, – приказывайте». Нет, он славный человек и родной прекрасный. Но ты знаешь, Nathalieie, мою любовь к сыну. Я не знаю, чего я не сделала бы для его счастья. А обстоятельства мои до того дурны, – продолжала Анна Михайловна с грустью и понижая голос, – до того дурны, что я теперь в самом ужасном положении. Мой несчастный процесс съедает всё, что я имею, и не подвигается. У меня нет, можешь себе представить, a la lettre [буквально] нет гривенника денег, и я не знаю, на что обмундировать Бориса. – Она вынула платок и заплакала. – Мне нужно пятьсот рублей, а у меня одна двадцатипятирублевая бумажка. Я в таком положении… Одна моя надежда теперь на графа Кирилла Владимировича Безухова. Ежели он не захочет поддержать своего крестника, – ведь он крестил Борю, – и назначить ему что нибудь на содержание, то все мои хлопоты пропадут: мне не на что будет обмундировать его.
Графиня прослезилась и молча соображала что то.
– Часто думаю, может, это и грех, – сказала княгиня, – а часто думаю: вот граф Кирилл Владимирович Безухой живет один… это огромное состояние… и для чего живет? Ему жизнь в тягость, а Боре только начинать жить.
– Он, верно, оставит что нибудь Борису, – сказала графиня.
– Бог знает, chere amie! [милый друг!] Эти богачи и вельможи такие эгоисты. Но я всё таки поеду сейчас к нему с Борисом и прямо скажу, в чем дело. Пускай обо мне думают, что хотят, мне, право, всё равно, когда судьба сына зависит от этого. – Княгиня поднялась. – Теперь два часа, а в четыре часа вы обедаете. Я успею съездить.
И с приемами петербургской деловой барыни, умеющей пользоваться временем, Анна Михайловна послала за сыном и вместе с ним вышла в переднюю.
– Прощай, душа моя, – сказала она графине, которая провожала ее до двери, – пожелай мне успеха, – прибавила она шопотом от сына.
– Вы к графу Кириллу Владимировичу, ma chere? – сказал граф из столовой, выходя тоже в переднюю. – Коли ему лучше, зовите Пьера ко мне обедать. Ведь он у меня бывал, с детьми танцовал. Зовите непременно, ma chere. Ну, посмотрим, как то отличится нынче Тарас. Говорит, что у графа Орлова такого обеда не бывало, какой у нас будет.


– Mon cher Boris, [Дорогой Борис,] – сказала княгиня Анна Михайловна сыну, когда карета графини Ростовой, в которой они сидели, проехала по устланной соломой улице и въехала на широкий двор графа Кирилла Владимировича Безухого. – Mon cher Boris, – сказала мать, выпрастывая руку из под старого салопа и робким и ласковым движением кладя ее на руку сына, – будь ласков, будь внимателен. Граф Кирилл Владимирович всё таки тебе крестный отец, и от него зависит твоя будущая судьба. Помни это, mon cher, будь мил, как ты умеешь быть…
– Ежели бы я знал, что из этого выйдет что нибудь, кроме унижения… – отвечал сын холодно. – Но я обещал вам и делаю это для вас.
Несмотря на то, что чья то карета стояла у подъезда, швейцар, оглядев мать с сыном (которые, не приказывая докладывать о себе, прямо вошли в стеклянные сени между двумя рядами статуй в нишах), значительно посмотрев на старенький салоп, спросил, кого им угодно, княжен или графа, и, узнав, что графа, сказал, что их сиятельству нынче хуже и их сиятельство никого не принимают.
– Мы можем уехать, – сказал сын по французски.
– Mon ami! [Друг мой!] – сказала мать умоляющим голосом, опять дотрогиваясь до руки сына, как будто это прикосновение могло успокоивать или возбуждать его.
Борис замолчал и, не снимая шинели, вопросительно смотрел на мать.
– Голубчик, – нежным голоском сказала Анна Михайловна, обращаясь к швейцару, – я знаю, что граф Кирилл Владимирович очень болен… я затем и приехала… я родственница… Я не буду беспокоить, голубчик… А мне бы только надо увидать князя Василия Сергеевича: ведь он здесь стоит. Доложи, пожалуйста.
Швейцар угрюмо дернул снурок наверх и отвернулся.
– Княгиня Друбецкая к князю Василию Сергеевичу, – крикнул он сбежавшему сверху и из под выступа лестницы выглядывавшему официанту в чулках, башмаках и фраке.
Мать расправила складки своего крашеного шелкового платья, посмотрелась в цельное венецианское зеркало в стене и бодро в своих стоптанных башмаках пошла вверх по ковру лестницы.
– Mon cher, voue m'avez promis, [Мой друг, ты мне обещал,] – обратилась она опять к Сыну, прикосновением руки возбуждая его.
Сын, опустив глаза, спокойно шел за нею.
Они вошли в залу, из которой одна дверь вела в покои, отведенные князю Василью.
В то время как мать с сыном, выйдя на середину комнаты, намеревались спросить дорогу у вскочившего при их входе старого официанта, у одной из дверей повернулась бронзовая ручка и князь Василий в бархатной шубке, с одною звездой, по домашнему, вышел, провожая красивого черноволосого мужчину. Мужчина этот был знаменитый петербургский доктор Lorrain.
– C'est donc positif? [Итак, это верно?] – говорил князь.
– Mon prince, «errare humanum est», mais… [Князь, человеку ошибаться свойственно.] – отвечал доктор, грассируя и произнося латинские слова французским выговором.
– C'est bien, c'est bien… [Хорошо, хорошо…]
Заметив Анну Михайловну с сыном, князь Василий поклоном отпустил доктора и молча, но с вопросительным видом, подошел к ним. Сын заметил, как вдруг глубокая горесть выразилась в глазах его матери, и слегка улыбнулся.
– Да, в каких грустных обстоятельствах пришлось нам видеться, князь… Ну, что наш дорогой больной? – сказала она, как будто не замечая холодного, оскорбительного, устремленного на нее взгляда.
Князь Василий вопросительно, до недоумения, посмотрел на нее, потом на Бориса. Борис учтиво поклонился. Князь Василий, не отвечая на поклон, отвернулся к Анне Михайловне и на ее вопрос отвечал движением головы и губ, которое означало самую плохую надежду для больного.
– Неужели? – воскликнула Анна Михайловна. – Ах, это ужасно! Страшно подумать… Это мой сын, – прибавила она, указывая на Бориса. – Он сам хотел благодарить вас.
Борис еще раз учтиво поклонился.
– Верьте, князь, что сердце матери никогда не забудет того, что вы сделали для нас.