Коротко — роль и влияние.
1) Что такое спин‑орбитальное взаимодействие (SO).
Это взаимодействие магнитного момента электрона (спина) с магнитным полем, создаваемым его движением в поле ядра; оператор в одноэлектронном приближении:
$$H_{SO}=\frac{1}{2m^2{c}^2}\frac{1}{r}\frac{dV}{dr}\mathbf{L}\cdot \mathbf{S},$$ где $V(r)$ — потенциал электрона в атоме, $\mathbf{L}$ и $\mathbf{S}$ — орбитальный и спиновой операторы.
2) Влияние на энергетические уровни.
- SO разбивает термы по суммарному моменту $\mathbf{J}=\mathbf{L}+\mathbf{S}$: уровни с одним $L,S$ распадаются на подуровни с разными $J$ (тонкая структура).
- Для водоподобной модели с $V=-Z{e}^2/r$ величина сдвига растёт быстро с зарядом ядра; масштабно
$$\Delta E_{SO}\sim \frac{(Z\alpha {)}^{4}m{c}^2}{n^3}\text{(приблизительно),}$$ или в упрощённой оценке $\Delta E_{SO}\propto Z^4/n^3$. В многoэлектронных атомах экранирование и форма орбиталей изменяют эту зависимость, но тенденция «чем больше $Z$ — тем сильнее SO» остаётся.
3) Изменение схемы связи электронов.
- В лёгких атомах электростатические (LS) взаимодействия доминируют → хороша LS‑(Russell–Saunders) связка, где S и L почти хорошие квантовые числа.
- В тяжёлых атомах SO сравнимо или больше электростатического обмена → переходит в jj‑связку (индивидуальные $j_i=l_i\pm \frac{1}{2}$ складываются в суммарный $J$). Это меняет расстановку уровней и правила отбора.
4) Последствия для спектроскопии и переходов.
- Разветвление линий (мультиплеты, крупные сдвиги): в тяжёлых элементах разность уровней типа $p_{1/2}$–$p_{3/2}$ или $d_{3/2}$–$d_{5/2}$ может быть очень великой (видно в видимой/УФ и особенно в рентгеновских линиях и XPS).
- Ослабление строгого соблюдения правила $\Delta S=0$: SO смешивает состояния с разным $S$, в результате «запрещённые» переходы (intercombination) получают непрямую интенсивность.
- Изменяются интенсивности мультиплетов и относительные вероятности переходов, т.е. перераспределение осцилляторной силы между компонентами.
- В магнитных и поляризационных спектрах через $g$-факторы и расщепление в поле (Зеемана) SO определяет значения $g_J$:
$$g_J=1+\frac{J(J+1)+S(S+1)-L(L+1)}{2J(J+1)}.$$
5) Практические применения и диагностические признаки.
- В тяжёлых элементах крупные SO‑сплиты служат маркерами конфигураций и степеней окисления (XPS, рентгеновская спектроскопия).
- Анализ мультиплетной структуры и размеров сплитов позволяет судить о силе корреляций, экранировании и о том, какая схема связи (LS или jj) применима.
Итого: спин‑орбитальное взаимодействие даёт основную часть тонкой структуры в атомных спектрах, усиливается с ростом $Z$, может менять схему связки электронов (LS → jj), вызывает заметные энергетические сдвиги и перераспределение интенсивностей линий, а также разрешает ранее «запрещённые» переходы за счёт смешивания состояний.