Сверхтонкая структура (расщепления спектральных линий, излучаемых атомами) связана с влиянием ядра.
Одна идея выглядит совершенно бредовой - де, электрон не просто вращается вокруг ядра, а они ОБА вращаются вокруг некого общего центра масс. Если учесть, что масса всего одного протона или нейтрона в 1840 (примерно) раз больше массы электрона, а в ядрах протонов и нейтронов десятки и сотни, то смещещние ядра в сторону крутящегося вокруг него электрона, могут быть совершенно ничтожными. И не могут вызывать достаточного энергетического сдвига, чтобы даже на сотые доли Ангострема расщепить спектральные линии.
НО!!!
Не следует забывать. С КАКОЙ СКОРОСТЬЮ вращается электрон по орбите! С огромной для маленькгого в считанные Ангстремы атома. Это означает, что центробежные силы инерции, действующие на электрон очень велики, а значит, коль скоро ядро УДЕРЖИВАЕТ центростремительно такой электрон, тот тянет с большой силой к себе и ядро. Как результат - ядро смещается от своего центра масс в сторону летящего вокруг него электрона.
Вторая идея - влияние магнитного момента ядра на энергию электрона, вращающегося на орбите.
Вот об этом случае и поговорим.
Чем различны протон и электрон: Знаком заряда и массой по абсолютной величине их заряды одинаковы. Зато у масс - огромная разница. Чем она вызвана, только одним -- размером. Протон на несколько порядков меньше электрона и поэтому его заряд "сконцентрирован" в миллионы раз меньшем объёме. Это даёт разницу в массах.
Теперь поговорим об их магнитных полях (магнитных моментах).
Чем они порождены? Единственное приемлемое объяснение, даваемое физикой, это так называемый спин частиц, то есть НЕЧТО, ВРОДЕ БЫ соответствующее их вращению вокруг собственной оси. Во всех энциклопедиях и монографиях всегда и неутомимо подчёркивается, что "Спин - это понятие СПЭЦЫФЫЧЕСКИ КВАНТОВОЕ, НИКАКИХ АНАЛОГОВ С КЛАССИЧЕСКОЙ (НЕКВАНТОВОЙ) ФИЗИКОЙ НЕ ИМЕЮЩЕЕ, И ПОЭТОМУ ДАЖЕ НЕЛЬЗЯ ПРЕДСТАВЛЯТЬ СПИН КАК РЕАЛЬНОЕ ФИЗИЧЕСКОЕ ВРАЩЕНИЕ ЧАСТИЦ ВОКРУГ СОБСТВЕННОЙ ОСИ, КАК ВЕРТИТСЯ, СКАЖЕМ ЗЕМЛЯ И МНОГИЕ ПЛАНЕТЫ И САМО СОЛНЦЕ.
По квантовой теории получается такая вот (ОЧЕНЬ ЛЮБИМАЯ КВАНТОВИКАМИ) расплывчатость, эдакая неопределённость: Вращения НЕТ, но оно и ЕСТЬ. Оно есть, но в то же время его нет!
Как такое может быть?
Ответ квантовиков: Это не вашего тупого ума дело! Из математики так получается и неча пытаться объяснить замечательные математические формулы своим примитивным человеческим языком и, хуже того, пытаться с помощью МАКРОФИЗИКИ, объяснить таинственную и не поддающуюся даже воображению, МИКРОФИЗИКУ.
IGNORAMUS ET IGNORABIMUS! - Не знаем и не узнаем!
Поскольку я - человек малограмотный, невежественный и в латыни, и в юриспруденции, а уж тем паче в физике, то позволю себе НАРУШИТЬ этот запрет думать, и всё же попробую что-то объяснить в рамках не математического шаманства, с тряской бубна, набитого формулами, безумными и бессвязными выкриками: Спиноры, матрицы, тензоры, сходящиеся в бесконечности и там же расходящиеся ряды и интегралы, а Здравого Человеческого Смысла.
Благо, невежде и тупице в математике это дозволено!
Вспомнив только что упомянутую разницу между протоном и электроном, давайте спросим себя, просто ТРЕЗВО И ЛОГИЧНО: Если заряд электрона, допустим, распределён равномерно в неком объёме, в миллины раз большем, чем такой же по абсолютной величине заряд протна, то, если и тот и другой вертятся, и тем создают магнитное поле, то у кого из них магнитный момент (а это и есть их магнитное поле) будет больше.
Возможные ответы:
У обоих одинаковые.
У протона больше.
У протона меньше
Первый ответ несколько странный: Раз заряд протона сильно сконцентрирован в очень маленьком объёме, то логично предположить, что и порождаемое им поле будет ОГРОМНЫМ, а не равным полю размазанного в миллионы раз заряда электрона.
Второй ответ полностью логичен и понятен! Из предыдущих расуждений.
Третий - полная чепуха и нелепость. Тем паче, для ядра (если бы мы спросили не об одном протоне, а об ядре, в котором, как было упомянуто, десятки и сотни массивных протонов и нейтронов).
Эксперименты чётко и недвусмысленно доказали верность ТРЕТЬЕГО, самого абсурдного ответа!
Но ведь это явно алогично. Мощный заряд, сконцентрированный в маленьком объёме при вращенни ДОЛЖЕН создать очень мощное магнитное поле.
Но, против фактов не попрёшь. Значит что-то в наших рассуждениеях надо менять.
Маленький радиус протона или ядра?
Рассмотрим аналогию: Две катушки с одинаковым числом витков, одним и тем же током, но разного диаметра. Одна большая, другая маленькая. Магнитный поток будет одним и тем же, но напряжённость магнитного поля на одном и том же расстоянии поблизости к их полюсам будет разной: Около маленькой намного больше. На больших расстояния, наверно пратически одинаковой.
Не объясняет.
Что ещё может быть причиной заметно меньшего магнитного поля протона или ядра?
Скорость вращения. Если допустить, что чисто механический момент импульса у электрона , протона и ядра должен быть ПОСТОЯННЫМ, то есть быть некой универсальной константой, то получается, что протон должен вращаться НАМНОГО МЕДЛЕННЕЙ вокруг своей оси, чем электрон и поэтому тот же по величине заряд будет создавать намного меньшее поле, даже несмотря на концентрацию его в небольшом объёме.
Качественное объяснение получено!
ЭТО допущение выглядит правдоподобным и физически непротиворечащим ни логике ни эксперименту.
Но ЭТО сразу превращает в ДЕЙСТВИТЕЛЬНОСТЬ именно РЕАЛЬНОЕ физическое вращение частицы вокруг своей оси. Если бы это было чем-то вроде есть, а вроде нет, то никаких бы малых полей у протона и ядра не было бы. Но именно зависимость магнитного момента от массы, которая наблюдается в опыте, как раз и доказывает ПОЛНУЮ РЕАЛЬНОСТЬ ВРАЩЕНИЯ частиц вокруг своей оси.
Резюме: Тысячекратная слабость магнитного момента массивных частиц по сравнениею с магнитным моментом электрона указывает на реально существующее вращение частиц вокруг своей оси - Спина. Допуская, что спин любых частиц (за исключением фотонов и нейтрино) есть величина постоянная (mvr = const). необходимо признать, что протон или ядро, вращаются с угловой скоростью на порядки меньшей, чем электрон. Малая скорость вращения заряда порождает и малый магнитный момент частицы, что и подтверждается экспериментом.