Сверхтонкое расщепление. Если одно или несколько ядер в молекуле имеют отличные от нуля спины, то каждый вращательный электронный уровень расщепляется на систему сверхтонких подуровней (сверхтонкая структура). В этом случае каждый электронный уровень характеризуется полным моментом колебательного движения молекулы (F). Например, в молекуле OH ядро атома водорода имеет спин I=1/2, который может быть направлен параллельно или антипараллельно моменту J (стрелки у атома H на рисунке 4). В соответствии с правилами сложения моментов, F может принимать значения J±1/2, которые указаны на рисунке 1. На этом рисунке указаны также переходы, которым соответствуют радиолинии молекулы OH, наблюдаемые в межзвездной среде.

Инверсионное расщепление обязано так называемым заторможенным движениям в молекуле. Эти движения связаны с квантовомеханическим туннельным эффектом. На рисунке 2 показано основное электронное состояние молекулы аммиака NH3. Кривая потенциальной энергии имеет два минимума, что соответствует двум возможным положениям атома азота относительно плоскости, в которой лежат атомы водорода (r- расстояние от атома азота до этой плоскости). Если атом N находится в одном из минимумов кривой потенциальной энергии, то переход в другой минимум в классической механике энергетически невозможен. В квантовой механике такой переход возможен за счет туннельного эффекта - частица туннелирует под энергетическим барьером, что изображено волнистой линией. Таким образом, два минимума потенциальной энергии оказываются связанными между собой. Согласно квантовой механике, такая связь приводит к расщеплению каждого колебательного уровня энергии, лежащего ниже центрального максимума, на два подуровня. Это расщепление наз. инверсионным. Поскольку каждому колебательному электронному уровню соответствует своя вращательная полоса, то двум инверсионным подуровням будут соответствовать две слегка смещенные (на величину расщепления) полосы, как это показано на рисунке 2 справа, где изображен участок вращательного спектра основного колебательного состояния аммиака. Так как NH3 относится к молекулам типа симметричного волчка, то энергии вращательных уровней можно приближенно определить по формуле (1) для любых J и K.

(1)

Молекула аммиака имеет три тождественных ядра. В силу принципа Паули, некоторые вращательные электронные уровни оказываются запрещенными (подобно тому, что имеет место для орто- и параводорода). Эти электронные уровни обозначены штриховыми линиями. Линии, соответствующие переходам между инверсионными подуровнями (они обозначены стрелками на рисунке 2), попадают в радиодиапазон вблизи частоты 23 ГГц и наблюдаются в межзвездной среде. Их изучение играет важную роль в исследованиях плотных и холодных облаков межзвездного газа.

 

 

 

***

Взаимодействие спина с магнитным моментом ядра приводит к появлению сверхтонкой структуры атомных спектров. Интервалы этого расщепления чрезвычайно малы: их масштаб на 2–3 порядка меньше масштаба расщепления, обусловленного тонкой структурой. Поэтому сверхтонкая структура должна рассматриваться для каждой из компонент тонкой структуры в отдельности. Если спин ядра обозначить через I, а электронной оболочки – через J, то полный момент атома и ядра будет равен , и F пробегает значения

 

Соответственно, число компонент сверхтонкой структуры уровня с данным J равно 2I+1 (если J>1) или 2J+1 (если J<1).
 

Переходы между уровнями сверхтонкой структуры попадают в радиодиапазон. Например, длина волны такого перехода в атоме азота равна 11,5 м. Предпринимаются поиски этой линии в межзвездной среде.
Рекомбинация многоэлектронных атомов на электронных уровнях с большими значениями n и последующие излучательные переходы между этими уровнями приводят к образованию рекомбинационных линий. Из-за того что массы ядер сложных атомов больше, чем масса ядра атома водорода, рекомбинационные линии этих атомов слегка сдвинуты относительно соответствующих водородных линий в коротковолновую область спектра.
 

***

Сверхтонкое расщепление основного состояния атома водорода соответствует частоте перехода ν=1420МГц, или длине волны λ=21см. Это излучение было предсказано Ван де Хюлстом в 1945 году. А в 1951 году оно было открыто в эксперименте Юэна–Перселла. В таблице (1) приведена величина сверхтонкого расщепления для различных элементов.

Таблица 1
 

Радиоизлучение нейтрального водорода является мощным инструментом исследования структуры нашей Галактики и соседних систем.