عرض مصدر بنية فائقة الدقة

'''بنية فائقة الدقة''' (hyperfine structure) في [[فيزياء|فيزياء الذرة]] هو انقسام طفيف جدا في المدار الإلكتروني الأول حول [[نواة الذرة]] ناتج عن ترابط بين [[عدد كم مغزلي|العزم المغزلي]] للإلكترون مع العزم المغزلي للنواة. يمكن للعزم المغزلي للإلكترون أن يكون متوازيا مع العزم المغزلي للنواة، أو أن يكونا معكوسان. كل حالة منهما تكون مقترنة [[مستوى طاقة|بمستوى للطاقة]] معين. وعندما ينتقل الإلكترون من الحالة ذات الطاقة العالية إلى الحالة ذات طاقة منخفضة فهو يبعث فرق الطاقتين في هيئة شعاع ضوئي يسمى [[فوتون]].

[[ملف:Hydrogen-Fine-Hyperfine-Levels.svg|تصغير| 320px|يسار|انقسام بنية فائقة الدقة لمستويات الطاقة لذرة الهيدروجين (مقياس رسم اختياري للتوضيح) [انظر [[رمز تعبير]]].]]
 
مقدار انفصال خطوط الطيف الناشئة عن البنية فائقة الدقة هي أصغر نحو 2000 مرة من الانفصال الناشيء عن [[بنية دقيقة|البنية الدقيقة]]. الفرق بين الانفصالين هو ان انفصال البنية الدقيقة سببه ثلاثة مؤثرات، وهي: تأثير يأخد في الحسبان السرعة العالية للإلكترون في مداره وهي سرعة مقاربة ل [[سرعة الضوء]] ([[النسبية الخاصة|تعديل النسبية]])، وتأثير ناتج عن [[تآثر مغزلي مداري|ترابط مغزلي مداري]] للإلكترون، وتعديل في [[طاقة وضع|طاقة الوضع]] للإلكترون في المجال الكهربي للنواة (انظر [[بنية دقيقة|هيكل دقيق]]). أما البنية فائقة الدقة فهي تأخذ في الحسبان علاوة على ذلك تآثر العزم المغزلي المغناطيسي للإلكترون مع العزم المغزلي المغناطيسي ل[[نواة الذرة]]. كما أن لأنوية [[نظير (كيمياء)|النظائر]] المختلفة (عدد البروتونات والنيوترونات) تأثير بهذا القدر الصغير.

الشكل المبين يوضح [[مستوى طاقة|مستويي الطاقة]] الأولين لذرة الهيدروجين (إلى اليسار)، حيث n = 1 و n=2 طبقا [[نموذج بور|لنموذج بور]]. وفي الوسط يبدو انفصال مستويي الطاقة ل n = 1 و n=2 بسبب تأثير [[بنية دقيقة|البنية الدقيقة]]، وإلى اليمين يوضح الشكل انقسامات مستويات الطاقة المتعلقة بالبنية فائقة الدقة. تتوافق تلك التوزيعات في طاقة الإلكترون في ذرة الهيدروجين مع ما نقيسه من توزيع ل[[خطوط طيف الهيدروجين]]. وكانت ذرة الهيدروجين هي محط اهتمام الفيزيائيين خلال النصف الأول من القرن العشرين حيث أنها أبسط الذرات. ونجحوا في تفسيرها بواسطة [[ميكانيكا الكم]] تفسيرا كاملا، الشيء الذي فشل في حله [[ميكانيكا كلاسيكية|الميكانيكا الكلاسيكية]]، واستطاعوا حساب كل تلك المستويات للطاقة، وحساب الانتقالات بينها وما ليس مسموحا منها للانتقال الإلكترون بين مستويات الطاقة المختلفة لذرة الهيدروجين.
 
== تأثير العزم المغزلي للنواة ==
يقصد بالبنية فائقة الدقة انفصال [[مستوى طاقة|مستويات الطاقة]] في الذرة <math>V_\mathrm{HFS}</math>
- بالمقارنة بمستويات طاقة البنية الدقيقة niveaus of fine structure - حيث أن البنية فائقة الدقة تاخذ في الحسبان الترابط بين العزم المغناطيسي للنواة
<math>\vec{\mu}_I</math> مع المجال المغناطيسي <math>\vec{B}_J</math> الذي يولده الإلكترون:

:<math>\Delta V_\mathrm{HFS} = - \vec{\mu}_I \cdot \vec{B}_J</math>

حيث:
* <math>I</math>: [[عدد كم مغزلي|العزم المغزلي المغناطيسي]] للنواة،
* <math>J</math>: [[عزم مداري]] للإلكترون في الغلاف الذري.

وأكبر انفصال يبينه الإلكترون في انفصال البنية فائقة الدقة هو انفصال الحالة s ، حيث أنها أقرب «مدارات» الإلكترون إلى النواة.

=== الصيغة الرياضية وثابت البنية فائقة الدقة ===

تؤدي التشابك إلى أن عزم الدوران الكلي <math>\vec{F}</math> للذرة يكون كموميا، حيث أنه يتكون من مجموع الزخم الزاوي للإلكترون <math>\vec{J}</math> والعزم المغزلي للنواة <math>\vec{I}</math> , وكلاهما كموميان:

:<math> |\vec{F}| = \hbar \sqrt{F(F+1)} = |\vec{J} + \vec{I}|.</math>

يمكن أن يتخذ عدد الكم <math>F</math> قيمة 1/2 أو قيمة عدد صحيح، فهو يتخذ القيم من
<math>\{|J-I|, \dots, J+I\}</math>

وتعطى طاقة التأثير المتبادل بالمعادلة:

:<math>\begin{align}
\Delta V_\mathrm{HFS} & = - \vec{\mu}_I \cdot \vec{B}_J\\
                      & = g_I \cdot \mu_\mathrm{K} \cdot B_J \, \frac{F(F+1) - [J(J+1) + I(I+1)]}{2 \sqrt{J(J+1)}}\\
                      & = \frac{A}{2} \, \langle F(F+1) - [J(J+1) + I(I+1)] \rangle.
\end{align}</math>

حيث:
* <math>g_I</math> [[معامل لاندي]] للنواة
* <math>\mu_\mathrm{K} = \frac{e\hbar}{2m_\mathrm{P}}</math> [[مغنطون نووي|مغنطون النواة]]
** <math>e</math> [[شحنة أولية|الشحنة الأولية]]
** <math>\hbar</math> [[ثابت بلانك|ثابت بلانك المخفض]]،
** <math>m_P</math> [[بروتون|كتلة البروتون]]
* <math>A = \frac{g_I \mu_k B_J}{\sqrt{J(J+1)}}</math> . . . . .''' ثابت البنية فائقة الدقة''' .

والعلاقة بين العزم المغناطيسي والعزم الزاوي للنواة تعطى بالمعادلة:

::<math>\vec{\mu}_I = \frac{g_I \mu_\mathrm{K}}{\hbar} \vec{I}.</math>

لتعيين ''V''<sub>HFS</sub> تلزم معرفة كلا من ''g''<sub>I</sub> و ''B''<sub>J</sub>. ويمكن تعيين
''g''<sub>I</sub> بقياس رنين العزم المغزلي للنواة، ويمكن تعيين ''B''<sub>J</sub> من [[دالة موجية|الدالة الموجية]] للإلكترون، مع العلم بأنها تُحسب بطرق الحساب العددية للذرات ذات [[عدد ذري]] أكبر من 1.

=== تطبيقات ===

تستغل الانتقالات الإلكترون بين حالات البنية فائقة الدقة في اختراع [[ساعة ذرية|الساعات الذرية]]، ذلك لأن [[تردد]]ها ثابت - مثل باقي الانتقالات في الذرة. كما يمكن توليدهها بطرق بسيطة وهي دقيقة جدا ويمكن قياسها بسهولة، حيث أنها في نطاق [[موجة راديو|الموجات الراديوية]] أو في نطاق [[فرن ميكرويف|ميكروويف]].

يبلغ تردد الانتقال في [[حالة قاعية|المستوى القاعي]] ل [[ذرة الهيدروجين]] بين F''=1 '' و F=0 (وهو ما يسمى Spin-Flip) نحو 1,420 [[هرتز|جيجا هرتز]]، أي [[طول الموجة|طول موجة]] 21 سنتيمتر. هذا الخط الطيفي الذي يسمى [[خط هيدروجين|خط الهيدروجين]] أو خط HI-Line هام جداً في الرصد الفلكي حيث تستخدم [[مقراب راديوي|تلسكوبات راديوية]] عديدة وكبيرة للتعرف على أماكن تجمعات سحب للهيدروجين في الكون. وعن طريق قياس [[تأثير دوبلر|انزياح دوبلر]] لهذا الخط يمكن معرفة حركة [[وسط بين نجمي|الغاز بين النجمي]] بالنسبة للأرض.

=== البنية فائقة الدقة للجزيئات ===

تدرس البنية فائقة الدقة للجزيئات من الوجهة النظرية بواسطة [[هاميلتوني (توضيح)|هاميلتوني]] يشمل الأجزاء التي نتجت من حالة الذرة، مع الأخذ في الحسبان ثنائي قطب معناطيسي لكل من الأنوية التي تكون لها <math>\scriptstyle{I>0}</math> بالإضافة إلى رباعي أقطاب كهربي لكل نواة لها
<math>\scriptstyle{I\geq 1}</math>. وكان العالمان «فروش» و «فولي» أول من قام بحساب نصيب القطب الثنائي المغناطيسي في حالة الجزيئات ثنائية الذرات.
<ref name="Frosch-Foley">{{استشهاد بدورية محكمة |مؤلف=Frosch and Foley |عنوان=Magnetic hyperfine structure in diatomics |سنة=1952 |صحيفة=[[فيزيكال ريفيو]] |المجلد=88 |العدد=6 |صفحات=1337–1349 |doi= 10.1103/PhysRev.88.1337|bibcode = 1952PhRv...88.1337F |الأخير2=Foley |الأول2=H. }}</ref>
ويسمى ما نتج عن حساباتهم لإحداثيات البنية فائقة الدقة، تسمى «إحداثيات فروش وفولي».

== اقرأ أيضا ==
* [[بنية دقيقة]]
* [[ذرة الهيدروجين]]
* [[خط هيدروجين]]
* [[ميكانيكا الكم]]
* [[معادلة شرودنغر]]
* [[نموذج بور]]
* [[خطوط طيف الهيدروجين]]
* [[تآثر مغزلي مداري|ترابط مغزلي مداري]]
* [[رمز تعبير]]

== المراجع ==

{{مراجع}}
{{روابط شقيقة}}
{{ميكانيكا الكم}}
{{ضبط استنادي}}
{{شريط بوابات|الفيزياء|الكيمياء}}

[[تصنيف:أساسيات فيزياء الكم]]
[[تصنيف:ذرات]]
[[تصنيف:فيزياء ذرية]]
[[تصنيف:نماذج الكم]]
[[تصنيف:هيدروجين]]