Transición hiperfina
En los átomos, la estructura hiperfina surge de la energía del momento dipolar magnético nuclear que interactúa con el campo magnético generado por los electrones y la energía del momento cuadrupolar eléctrico nuclear en el gradiente de campo eléctrico debido a la distribución de carga dentro del átomo.
La estructura hiperfina molecular generalmente está dominada por estos dos efectos, pero también incluye la energía asociada con la interacción entre los momentos magnéticos asociados con diferentes núcleos magnéticos en una molécula, así como entre los momentos magnéticos nucleares y el campo magnético generado por la rotación de la molécula La estructura hiperfina contrasta con la estructura fina, que resulta de la interacción entre el momento magnético asociado con el espín del electrón y el momento angular orbital de los electrones.
La primera teoría de la estructura hiperfina atómica fue dada en 1930 por Enrico Fermi [1] para un átomo que contiene un único electrón de valencia con un momento angular arbitrario.
La división Zeeman de esta estructura fue discutida por S. A. Goudsmit y R. F. Bacher ese mismo año.
En 1935, H. Schüler y Theodor Schmidt propusieron la existencia de un momento cuadrupolar nuclear para explicar las anomalías en la estructura hiperfina.
De acuerdo con el pensamiento clásico, el electrón que se mueve alrededor del núcleo tiene un momento de dipolo magnético, causado porque este está cargado.
La interacción de este momento de dipolo magnético con el momento magnético del núcleo (debido a su Espín) conlleva a la división entre hiperfinos.
Sin embargo, debido al spin del electrón, existe también división de hiperfinos para la capa-S de los electrones, la cual tiene un momento angular orbital cero.
Para un átomo de muchos electrones esta expresión se escribe generalmente en términos del momento angular orbital total,
Para los estados con una proyección bien definida del momento angular orbital, Lz, podemos escribir
donde gs es el factor g de espín del electrón y el signo negativo se debe a que el electrón está cargado negativamente (considérese que partículas cargadas negativa y positivamente con masa idéntica, viajando por trayectorias equivalentes, tendrían el mismo momento angular, pero darían lugar a corrientes en sentido contrario).
El campo magnético de un momento dipolar puntual, μs, viene dado por:[3][4]
El primer término da la energía del dipolo nuclear en el campo debido al momento angular orbital electrónico.
Si la estructura hiperfina es pequeña comparada con la estructura fina (a veces llamado acoplamiento IJ por analogía con el acoplamiento LS), I y J son buenos números cuánticos y los elementos matriciales de
siendo la constante de estructura hiperfina que se determina experimentalmente.
Puesto que I⋅J = {F⋅F - I⋅I - J⋅J} (donde F = I + J es el momento angular total), esto da una energía de:
En este caso la interacción hiperfina satisface la regla del intervalo de Landé.
Al ser un tensor tridimensional de rango 2, el momento cuadrupolar tiene 32 = 9 componentes.
A partir de la definición de los componentes está claro que el tensor cuadrupolar es una matriz simétrica (Qij = Qji) que también es sin trazas (
otro tensor de rango 2 dado por el producto exterior del operador nabla con el vector campo eléctrico:
La estructura hiperfina da la línea de 21 cm observada en las regiones HI en medio interestelar.
Carl Sagan y Frank Drake consideraron que la transición hiperfina del hidrógeno era un fenómeno suficientemente universal como para ser utilizado como unidad base de tiempo y longitud en la placa Pioneer y más tarde en el Disco de oro de las Voyager.
Por tanto, es posible una determinación más precisa de la profundidad óptica.
Los métodos se basan principalmente en interacciones hiperfinas con los átomos e iones circundantes.
Los métodos importantes son la resonancia magnética nuclear, la espectroscopia de Mössbauer y la correlación angular perturbada.
La transición de estructura hiperfina se puede usar para hacer un filtro de muesca de microondas con muy alta estabilidad, repetibilidad y factor Q, que por lo tanto se puede usar como base para relojes atómicos muy precisos.
Debido a la precisión de los relojes atómicos basados en la transición de estructura hiperfina, ahora se utilizan como base para la definición del segundo.
Tienen la ventaja de tener una vida útil muy larga, superando experimentalmente ~ 10 minutos (en comparación con ~ 1s para niveles electrónicos metaestables).
Sin embargo, en la actualidad no hay ningún emisor disponible que pueda enfocarse para dirigirse a un ion particular de una secuencia.
Además, los gradientes de campo cercano se han aprovechado para abordar individualmente dos iones separados por aproximadamente 4,3 micrómetros directamente con radiación de microondas.
