अतिसूक्ष्म संरचना

परमाणु भौतिकी में, अतिसूक्ष्म संरचना को नाभिक और इलेक्ट्रॉन अभ्र के बीच विद्युत चुम्बकीय बहुध्रुव संपर्क के कारण ऊर्जा के स्तर को कम करने और परमाणुओं, अणुओं और आयन के उन ऊर्जा स्तर में परिणामी विभाजन के रूप में परिभाषित किया जाता है।

परमाणुओं में, हाइपरफाइन संरचना परमाणु चुंबकीय छड़ की ऊर्जा से उत्पन्न होती है जो इलेक्ट्रॉनों द्वारा उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र और परमाणु के भीतर आवेश के वितरण के कारण विद्युत क्षेत्र प्रवणता में चतुर्भुज की ऊर्जा के साथ परस्पर क्रिया करती है। आणविक हाइपरफाइन संरचना में सामान्यतः इन दो प्रभावों का प्रभुत्व होता है, लेकिन इसमें एक अणु में विभिन्न चुंबकीय नाभिकों से जुड़े चुंबकीय छड़ों के साथ-साथ परमाणु चुंबकीय छड़ों और चुंबकीय क्षेत्र के घूर्णन से उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र के बीच पारस्परिक प्रभाव से जुड़ी आणविक ऊर्जा भी सम्मिलित होती है।

हाइपरफाइन संरचना फाइन स्ट्रक्चर के विपरीत है, जो इलेक्ट्रॉन स्पिन से जुड़े चुंबकीय छड़ों और इलेक्ट्रॉनों के अज़ीमुथल क्वांटम संख्या के बीच पारस्परिक प्रभाव से उत्पन्न होती है। हाइपरफाइन संरचना, ऊर्जा बदलाव के साथ सामान्यतः उपयुक्त-संरचना शिफ्ट की तुलना में छोटे परिमाण के आदेश, आंतरिक रूप से उत्पन्न विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों के साथ परमाणु नाभिक (या अणुओं में नाभिक) की पारस्परिक प्रभाव से उत्पन्न होते हैं।

एक तटस्थ हाइड्रोजन परमाणु में सूक्ष्म संरचना और अतिसूक्ष्म संरचना का योजनाबद्ध चित्रण

इतिहास

1935 में, एच. शूलर और थियोडोर श्मिट ने हाइपरफाइन संरचना में विसंगतियों को समझाने के लिए एक परमाणु चतुष्कोणीय छड़ के अस्तित्व का प्रस्ताव रखा।

सिद्धांत

हाइपरफाइन संरचना का सिद्धांत सीधे विद्युत चुंबकत्व से आता है, जिसमें आंतरिक रूप से उत्पन्न क्षेत्रों के साथ परमाणु बहुध्रुव छड़ों (विद्युत एकध्रुव को छोड़कर) की पारस्परिक प्रभाव सम्मिलित है। सिद्धांत पहले परमाणु प्रकरण के लिए लिया गया है, लेकिन एक अणु में प्रत्येक नाभिक पर लागू किया जा सकता है। इसके बाद आणविक प्रकरण के लिए अद्वितीय अतिरिक्त प्रभावों की चर्चा होती है।

परमाणु अतिसूक्ष्म संरचना

चुंबकीय द्विध्रुव

Main article: द्विध्रुव

हाइपरफाइन हैमिल्टनियन (क्वांटम यांत्रिकी) में प्रमुख शब्द सामान्यतः चुंबकीय द्विध्रुवीय शब्द है। एक गैर-शून्य परमाणु स्पिन के साथ परमाणु नाभिक $\mathbf {I}$ एक चुंबकीय द्विध्रुवीय छड़ है, इसके द्वारा दिया गया है:

${\boldsymbol {\mu }}_{\text{I}}=g_{\text{I}}\mu _{\text{N}}\mathbf {I} ,$

जहाँ $g_{\text{I}}$ जी-फैक्टर (भौतिकी) है, जी-फैक्टर और $\mu _{\text{N}}$ परमाणु चुंबकत्व है।

चुंबकीय क्षेत्र की उपस्थिति में चुंबकीय द्विध्रुव आघूर्ण से जुड़ी एक ऊर्जा होती है। एक परमाणु चुंबक द्विध्रुवीय छड़ के लिए, μ_I, एक चुंबकीय क्षेत्र, B में रखा गया है, हैमिल्टनियन में प्रासंगिक शब्द इस प्रकार दिया गया है:

${\hat {H}}_{\text{D}}=-{\boldsymbol {\mu }}_{\text{I}}\cdot \mathbf {B} .$

बाहरी रूप से लागू क्षेत्र की अनुपस्थिति में, नाभिक द्वारा अनुभव किया जाने वाला चुंबकीय क्षेत्र इलेक्ट्रॉनों की कक्षीय (ℓ) और स्पिन (s) कोणीय गति से जुड़ा होता है:

$\mathbf {B} \equiv \mathbf {B} _{\text{el}}=\mathbf {B} _{\text{el}}^{\ell }+\mathbf {B} _{\text{el}}^{s}.$

इलेक्ट्रॉन कक्षीय कोणीय संवेग इलेक्ट्रॉन की गति के परिणामस्वरूप किसी निश्चित बाह्य बिंदु के बारे में होता है जिसे हम नाभिक का स्थान मानेंगे। एकल इलेक्ट्रॉन की गति के कारण नाभिक पर चुंबकीय क्षेत्र, नाभिक के सापेक्ष 'r' स्थिति पर आवेश-प्रारंभिक आवेश के साथ दिया जाता है:

$\mathbf {B} _{\text{el}}^{\ell }={\frac {\mu _{0}}{4\pi }}{\frac {-e\mathbf {v} \times -\mathbf {r} }{r^{3}}},$

जहाँ -r इलेक्ट्रॉन के सापेक्ष नाभिक की स्थिति देता है। बोहर चुंबक के संदर्भ में लिखा गया, यह दर्शाता है:

$\mathbf {B} _{\text{el}}^{\ell }=-2\mu _{\text{B}}{\frac {\mu _{0}}{4\pi }}{\frac {1}{r^{3}}}{\frac {\mathbf {r} \times m_{\text{e}}\mathbf {v} }{\hbar }}.$

यह मानते हुए कि M_ev इलेक्ट्रॉन गति है, p, और वह r×p/ħ ħ, ℓ की इकाइयों में कक्षीय कोणीय गति है, हम लिख सकते हैं:

$\mathbf {B} _{\text{el}}^{\ell }=-2\mu _{\text{B}}{\frac {\mu _{0}}{4\pi }}{\frac {1}{r^{3}}}\mathbf {\ell } .$

एक बहु-इलेक्ट्रॉन परमाणु के लिए यह अभिव्यक्ति सामान्यतः कुल कक्षीय कोणीय गति के संदर्भ में लिखी जाती है, $\mathbf {L}$, इलेक्ट्रॉनों का योग करके और प्रोजेक्शन ऑपरेटर का उपयोग करके, $\varphi _{i}^{\ell }$, जहाँ ${\textstyle \sum _{i}\mathbf {\ell } _{i}=\sum _{i}\varphi _{i}^{\ell }\mathbf {L} }$. कक्षीय कोणीय गति के एक अच्छी तरह से परिभाषित प्रक्षेपण वाले स्थितियों के लिए, L_z, हम लिख सकते हैं $\varphi _{i}^{\ell }={\hat {\ell }}_{z_{i}}/L_{z}$ दर्शा रहा है:

$\mathbf {B} _{\text{el}}^{\ell }=-2\mu _{\text{B}}{\frac {\mu _{0}}{4\pi }}{\frac {1}{L_{z}}}\sum _{i}{\frac {{\hat {\ell }}_{zi}}{r_{i}^{3}}}\mathbf {L} .$

इलेक्ट्रॉन प्रचक्रण कोणीय संवेग मौलिक रूप से एक भिन्न गुण है जो कण के लिए आंतरिक है और इसलिए यह इलेक्ट्रॉन की गति पर निर्भर नहीं करता है। बहरहाल, यह कोणीय गति है और आवेशित कण से जुड़े किसी भी कोणीय गति के परिणामस्वरूप चुंबकीय द्विध्रुवीय छड़ होता है, जो चुंबकीय क्षेत्र का स्रोत है। स्पिन कोणीय संवेग, s वाले एक इलेक्ट्रॉन का चुंबकीय आघूर्ण, μ होता है_s, द्वारा दिए गए:

${\boldsymbol {\mu }}_{\text{s}}=-g_{s}\mu _{\text{B}}\mathbf {s} ,$

जहां G_s जी-फैक्टर (भौतिकी) है। इलेक्ट्रॉन स्पिन जी-फैक्टर और नकारात्मक संकेत है क्योंकि इलेक्ट्रॉन नकारात्मक रूप से आवेशित किया जाता है (विचार करें कि समान द्रव्यमान वाले नकारात्मक और सकारात्मक रूप से आवेशित किए गए कण, समान पथों पर यात्रा करते हुए, समान कोणीय गति होगी, लेकिन विपरीत दिशा में विद्युत प्रवाह का परिणाम होगा)।

द्विध्रुव आघूर्ण का चुंबकीय क्षेत्र, 'μ'_s, द्वारा दिया गया है:

$\mathbf {B} _{\text{el}}^{s}={\frac {\mu _{0}}{4\pi r^{3}}}\left(3\left({\boldsymbol {\mu }}_{\text{s}}\cdot {\hat {\mathbf {r} }}\right){\hat {\mathbf {r} }}-{\boldsymbol {\mu }}_{\text{s}}\right)+{\dfrac {2\mu _{0}}{3}}{\boldsymbol {\mu }}_{\text{s}}\delta ^{3}(\mathbf {r} ).$

हाइपरफाइन हैमिल्टनियन के लिए पूर्ण चुंबकीय द्विध्रुवीय योगदान इस प्रकार दिया गया है:

${\begin{aligned}{\hat {H}}_{D}={}&2g_{\text{I}}\mu _{\text{N}}\mu _{\text{B}}{\dfrac {\mu _{0}}{4\pi }}{\dfrac {1}{L_{z}}}\sum _{i}{\dfrac {{\hat {l}}_{zi}}{r_{i}^{3}}}\mathbf {I} \cdot \mathbf {L} \\&{}+g_{\text{I}}\mu _{\text{N}}g_{\text{s}}\mu _{\text{B}}{\frac {\mu _{0}}{4\pi }}{\frac {1}{S_{z}}}\sum _{i}{\frac {{\hat {s}}_{zi}}{r_{i}^{3}}}\left\{3\left(\mathbf {I} \cdot {\hat {\mathbf {r} }}\right)\left(\mathbf {S} \cdot {\hat {\mathbf {r} }}\right)-\mathbf {I} \cdot \mathbf {S} \right\}\\&{}+{\frac {2}{3}}g_{\text{I}}\mu _{\text{N}}g_{\text{s}}\mu _{\text{B}}\mu _{0}{\frac {1}{S_{z}}}\sum _{i}{\hat {s}}_{zi}\delta ^{3}\left(\mathbf {r} _{i}\right)\mathbf {I} \cdot \mathbf {S} .\end{aligned}}$

पहला शब्द इलेक्ट्रॉनिक कक्षीय कोणीय गति के कारण क्षेत्र में परमाणु द्विध्रुव की ऊर्जा देता है। दूसरा शब्द इलेक्ट्रॉन स्पिन चुंबकीय छड़ों के कारण क्षेत्र के साथ परमाणु द्विध्रुव की परिमित दूरी की पारस्परिक प्रभाव की ऊर्जा देता है। अंतिम शब्द, जिसे प्रायः फर्मी संपर्क शब्द के रूप में जाना जाता है, स्पिन द्विध्रुव के साथ परमाणु द्विध्रुव की सीधी पारस्परिक प्रभाव से संबंधित है और नाभिक की स्थिति में परिमित इलेक्ट्रॉन स्पिन घनत्व वाले स्थितियों के लिए केवल गैर-शून्य है (अयुग्मित इलेक्ट्रॉनों वाले) एस-सबशेल्स में) यह तर्क दिया गया है कि विस्तृत परमाणु चुंबकीय छड़ वितरण को ध्यान में रखते हुए एक अलग अभिव्यक्ति मिल सकती है। वाले स्थितियों के लिए $\ell \neq 0$ इसे रूप में व्यक्त किया जा सकता है

${\hat {H}}_{D}=2g_{I}\mu _{\text{B}}\mu _{\text{N}}{\dfrac {\mu _{0}}{4\pi }}{\dfrac {\mathbf {I} \cdot \mathbf {N} }{r^{3}}},$

जहाँ:

$\mathbf {N} =\mathbf {\ell } -{\frac {g_{s}}{2}}\left[\mathbf {s} -3(\mathbf {s} \cdot {\hat {\mathbf {r} }}){\hat {\mathbf {r} }}\right].$

यदि हाइपरफाइन संरचना उपयुक्त संरचना की तुलना में छोटी है (कभी-कभी रसेल-सॉन्डर्स स्थिति एलएस-युग्मन के साथ सादृश्य द्वारा J-युग्मन कहा जाता है), I और J अच्छे क्वांटम संख्या और मैट्रिक्स तत्व हैं ${\hat {H}}_{\text{D}}$ और J में विकर्ण के रूप में अनुमानित किया जा सकता है। इस प्रकरण में (सामान्यतः प्रकाश तत्वों के लिए सच है), हम 'N' को 'J' पर प्रोजेक्ट कर सकते हैं (जहाँ 'J' = 'L' + 'S' कुल इलेक्ट्रॉनिक कोणीय गति है ) और हमारे पास है:

${\hat {H}}_{\text{D}}=2g_{I}\mu _{\text{B}}\mu _{\text{N}}{\dfrac {\mu _{0}}{4\pi }}{\dfrac {\mathbf {N} \cdot \mathbf {J} }{\mathbf {J} \cdot \mathbf {J} }}{\dfrac {\mathbf {I} \cdot \mathbf {J} }{r^{3}}}.$

इसे सामान्यतः इस रूप में लिखा जाता है

${\hat {H}}_{\text{D}}={\hat {A}}\mathbf {I} \cdot \mathbf {J} ,$

साथ ${\textstyle \left\langle {\hat {A}}\right\rangle }$ हाइपरफाइन-संरचना स्थिरांक होना जो प्रयोग द्वारा निर्धारित किया जाता है। चूँकि I·J = 1⁄2{F·F − I·I − J·J} (जहाँ F = I + J कुल कोणीय संवेग है), यह निम्न की ऊर्जा देता है:

$\Delta E_{\text{D}}={\frac {1}{2}}\left\langle {\hat {A}}\right\rangle [F(F+1)-I(I+1)-J(J+1)].$

इस प्रकरण में हाइपरफाइन इंटरैक्शन लांडे अंतराल नियम को संतुष्ट करता है।

बिजली का चतुष्कोण

Main article: चतुर्ध्रुवी

स्पिन के साथ परमाणु नाभिक $I\geq 1$ एक चतुर्भुज है। सामान्य प्रकरण में यह एक टेन्सर क्रम-2 टेन्सर द्वारा दर्शाया जाता है, ${\underline {\underline {Q}}}$द्वारा दिए गए घटकों के साथ:

$Q_{ij}={\frac {1}{e}}\int \left(3x_{i}^{\prime }x_{j}^{\prime }-\left(r^{\prime }\right)^{2}\delta _{ij}\right)\rho \left(\mathbf {r} ^{\prime }\right)\,d^{3}r^{\prime },$

जहाँ i और j 1 से 3 तक चलने वाले टेंसर इंडेक्स हैं, x_iऔर X_j क्रमशः i और j के मानों के आधार पर स्थानिक चर x, y और z हैं, δ_ij क्रोनकर डेल्टा है और ρ('r') आवेश घनत्व है। 3-आयामी रैंक -2 टेंसर होने के नाते, चतुर्भुज पल में 3² = 9 घटक होता है। घटकों की परिभाषा से यह स्पष्ट है कि चतुष्कोणीय टेंसर एक सममित मैट्रिक्स (Q_ij= Q_ji) वह भी लापता है (Σ_iQ_ii= 0), अलघुकरणीय प्रतिनिधित्व में केवल पांच घटक दे रहा है। हमारे पास अलघुकरणीय गोलाकार टेंसर के संकेतन का उपयोग करके व्यक्त किया गया है:

$T_{m}^{2}(Q)={\sqrt {\frac {4\pi }{5}}}\int \rho \left(\mathbf {r} ^{\prime }\right)\left(r^{\prime }\right)^{2}Y_{m}^{2}\left(\theta ^{\prime },\varphi ^{\prime }\right)\,d^{3}r^{\prime }.$

एक विद्युत क्षेत्र में एक विद्युत चतुष्कोणीय छड़ से जुड़ी ऊर्जा क्षेत्र की सामर्थ्य पर निर्भर नहीं करती है, लेकिन विद्युत क्षेत्र ढाल पर, भ्रमित रूप से लेबल की जाती है ${\textstyle {\underline {\underline {q}}}}$, विद्युत क्षेत्र वेक्टर के साथ डेल ऑपरेटर के बाहरी उत्पाद द्वारा दिया गया एक और रैंक-2 टेंसर:

${\underline {\underline {q}}}=\nabla \otimes \mathbf {E} ,$

द्वारा दिए गए घटकों के साथ:

$q_{ij}={\frac {\partial ^{2}V}{\partial x_{i}\,\partial x_{j}}}.$

फिर से यह स्पष्ट है कि यह एक सममित मैट्रिक्स है और, क्योंकि नाभिक में विद्युत क्षेत्र का स्रोत पूरी तरह से नाभिक के बाहर आवेश वितरण है, इसे 5-घटक के साथ गोलाकार टेन्सर $T^{2}(q)$ के रूप में व्यक्त किया जा सकता है,

${\begin{aligned}T_{0}^{2}(q)&={\frac {\sqrt {6}}{2}}q_{zz}\\T_{+1}^{2}(q)&=-q_{xz}-iq_{yz}\\T_{+2}^{2}(q)&={\frac {1}{2}}(q_{xx}-q_{yy})+iq_{xy},\end{aligned}}$

जहाँ:

$T_{-m}^{2}(q)=(-1)^{m}T_{+m}^{2}(q)^{*}.$

हैमिल्टनियन में चतुष्कोणीय शब्द इस प्रकार दिया गया है:

${\hat {H}}_{Q}=-eT^{2}(Q)\cdot T^{2}(q)=-e\sum _{m}(-1)^{m}T_{m}^{2}(Q)T_{-m}^{2}(q).$

एक विशिष्ट परमाणु नाभिक बेलनाकार समरूपता के सन्निकट है और इसलिए सभी ऑफ-डायगोनल तत्व शून्य के सन्निकट हैं। इस कारण से परमाणु विद्युत चतुष्कोणीय छड़ को प्रायः Q_zz द्वारा दर्शाया जाता है,

आणविक हाइपरफाइन संरचना

आणविक हाइपरफाइन हैमिल्टनियन में वे शब्द सम्मिलित हैं जो पहले से ही परमाणु प्रकरण के लिए प्रत्येक नाभिक के लिए एक चुंबकीय द्विध्रुवीय शब्द के साथ $I>0$ व्युत्पन्न हैं, और प्रत्येक नाभिक के लिए एक विद्युत चतुर्भुज शब्द $I\geq 1$ द्विपरमाणुक अणुओं के लिए चुंबकीय द्विध्रुव शब्द सर्वप्रथम फ्रॉश और फोली द्वारा व्युत्पन्न किए गए थे, और परिणामी हाइपरफाइन पैरामीटर को प्रायः फ्रॉश और फोली पैरामीटर कहा जाता है।

ऊपर वर्णित प्रभावों के अलावा, आणविक प्रकरण के लिए विशिष्ट कई प्रभाव हैं।

डायरेक्ट न्यूक्लियर स्पिन–स्पिन

प्रत्येक नाभिक के साथ $I>0$ एक गैर-शून्य चुंबकीय छड़ होता है जो चुंबकीय क्षेत्र का स्रोत होता है और अन्य सभी परमाणु चुंबकीय छड़ों के संयुक्त क्षेत्र की उपस्थिति के कारण संबंधित ऊर्जा होती है। एक दूसरे के चुंबकीय छड़ के कारण क्षेत्र के साथ बिंदीदार प्रत्येक चुंबकीय छड़ पर एक योग हाइपरफाइन हैमिल्टनियन में प्रत्यक्ष परमाणु स्पिन-स्पिन शब्द ${\hat {H}}_{II}$ देता है,

${\hat {H}}_{II}=-\sum _{\alpha \neq \alpha ^{\prime }}{\boldsymbol {\mu }}_{\alpha }\cdot \mathbf {B} _{\alpha ^{\prime }},$

जहां α और α' ऊर्जा में योगदान करने वाले नाभिक का प्रतिनिधित्व करने वाले सूचकांक हैं और नाभिक जो क्रमशः क्षेत्र का स्रोत है। नाभिकीय कोणीय संवेग और द्विध्रुव के चुंबकीय क्षेत्र के संदर्भ में द्विध्रुव आघूर्ण के लिए व्यंजकों में प्रतिस्थापित करने पर, दोनों ऊपर दिए गए हैं, यद्यपि वे हमारे पास है

${\hat {H}}_{II}={\dfrac {\mu _{0}\mu _{\text{N}}^{2}}{4\pi }}\sum _{\alpha \neq \alpha ^{\prime }}{\frac {g_{\alpha }g_{\alpha ^{\prime }}}{R_{\alpha \alpha ^{\prime }}^{3}}}\left\{\mathbf {I} _{\alpha }\cdot \mathbf {I} _{\alpha ^{\prime }}-3\left(\mathbf {I} _{\alpha }\cdot {\hat {\mathbf {R} }}_{\alpha \alpha ^{\prime }}\right)\left(\mathbf {I} _{\alpha ^{\prime }}\cdot {\hat {\mathbf {R} }}_{\alpha \alpha ^{\prime }}\right)\right\}.$

नाभिकीय चक्रण-घूर्णन

एक अणु में परमाणु चुंबकीय छड़ कोणीय गति के कारण चुंबकीय क्षेत्र में मौजूद होते हैं, T (R आंतरिक विस्थापन वेक्टर है), अणु के बल्क घूर्णन से जुड़ा होता है,इस प्रकार

${\hat {H}}_{\text{IR}}={\frac {e\mu _{0}\mu _{\text{N}}\hbar }{4\pi }}\sum _{\alpha \neq \alpha ^{\prime }}{\frac {1}{R_{\alpha \alpha ^{\prime }}^{3}}}\left\{{\frac {Z_{\alpha }g_{\alpha ^{\prime }}}{M_{\alpha }}}\mathbf {I} _{\alpha ^{\prime }}+{\frac {Z_{\alpha ^{\prime }}g_{\alpha }}{M_{\alpha ^{\prime }}}}\mathbf {I} _{\alpha }\right\}\cdot \mathbf {T} .$

छोटा अणु अतिसूक्ष्म संरचना

ऊपर चर्चित अन्योन्यक्रियाओं के कारण हाइपरफाइन संरचना का एक विशिष्ट सरल उदाहरण हाइड्रोजन साइनाइड के घूर्णी संक्रमण में है, इसके ग्राउंड घूर्णनल-वाइब्रेशनल स्पेक्ट्रोस्कोपी में। यहाँ, विद्युत चतुर्भुज अन्योन्य क्रिया के कारण है एन-न्यूक्लियस, हाइपरफाइन न्यूक्लियर स्पिन-स्पिन विभाजन नाइट्रोजन के बीच चुंबकीय युग्मन से होता है, ¹⁴एन (आई_N = 1), और हाइड्रोजन, ¹एच (आई_H = 1⁄2), और एक हाइड्रोजन स्पिन-घूर्णन इंटरैक्शन के कारण ¹एच-नाभिक। अणु में अतिसूक्ष्म संरचना में योगदान देने वाली इन अंतःक्रियाओं को प्रभाव के अवरोही क्रम में यहां सूचीबद्ध किया गया है। एचसीएन घूर्णी संक्रमणों में हाइपरफाइन संरचना को समझने के लिए उप-डॉपलर तकनीकों का उपयोग किया गया है। एचसीएन हाइपरफाइन संरचना संक्रमण के लिए द्विध्रुवीय चयन नियम हैं $\Delta J=1$, $\Delta F=\{0,\pm 1\}$, जहाँ J घूर्णी क्वांटम संख्या है और F परमाणु स्पिन सहित कुल घूर्णी क्वांटम संख्या है ($F=J+I_{\text{N}}$), क्रमश सबसे कम संक्रमण ($J=1\rightarrow 0$) एक अतिसूक्ष्म त्रिक में विभाजित हो जाता है। चयन नियमों का उपयोग करते हुए, हाइपरफाइन पैटर्न $J=2\rightarrow 1$ संक्रमण और उच्च द्विध्रुव संक्रमण हाइपरफाइन सेक्सेट के रूप में होता है। हालाँकि, इनमें से एक घटक ($\Delta F=-1$) के प्रकरण में घूर्णी संक्रमण तीव्रता का केवल 0.6% होता है $J=2\rightarrow 1$. यह योगदान जे बढ़ाने के लिए गिरता है। तो, से $J=2\rightarrow 1$ ऊपर की ओर हाइपरफाइन पैटर्न में तीन बहुत सन्निकट से मजबूत हाइपरफाइन घटक होते हैं ($\Delta J=1$, $\Delta F=1$) एक साथ दो व्यापक दूरी वाले घटकों के साथ; केंद्रीय हाइपरफाइन ट्रिपल के सापेक्ष एक कम आवृत्ति पक्ष पर और एक उच्च आवृत्ति पक्ष पर इनमें से प्रत्येक आउटलेयर ~ ले जाता है${\tfrac {1}{2}}J^{2}$ (J अनुमत द्विध्रुवीय संक्रमण की ऊपरी घूर्णी क्वांटम संख्या है) पूरे संक्रमण की तीव्रता लगातार उच्च के लिए-J संक्रमण, प्रत्येक व्यक्तिगत हाइपरफाइन घटक की सापेक्ष तीव्रता और स्थिति में छोटे लेकिन महत्वपूर्ण परिवर्तन होते हैं।

माप

हाइपरफाइन इंटरैक्शन को अन्य तरीकों से, परमाणु और आणविक स्पेक्ट्रा में और मुक्त कणों और संक्रमण धातु के इलेक्ट्रॉन पैरामैग्नेटिक अनुनाद स्पेक्ट्रा में संक्रमण-धातु आयन मापा जा सकता है।

अनुप्रयोग

खगोल भौतिकी

पायनियर पट्टिका पर चित्रित हाइपरफाइन संक्रमण

जैसा कि हाइपरफाइन विभाजन बहुत छोटा है, संक्रमण आवृत्तियां सामान्यतः ऑप्टिकल में स्थित नहीं होती हैं, लेकिन रेडियो- या माइक्रोवेव (उप-मिलीमीटर भी कहा जाता है) आवृत्तियों की सीमा में होती हैं।

हाइपरफाइन संरचना इंटरस्टेलर माध्यम में H क्षेत्रों में देखी गई 21 सेमी रेखा देती है।

कार्ल सैगन और फ्रैंक ड्रेक ने हाइड्रोजन के अतिसूक्ष्म संक्रमण को पर्याप्त रूप से सार्वभौमिक घटना माना ताकि पायनियर पट्टिका और बाद में वायेजर गोल्डन रिकॉर्ड पर समय और लंबाई की आधार इकाई के रूप में उपयोग किया जा सके।

सबमिलीमीटर खगोल विज्ञान में, सुपरहेटरोडाइन रिसीवर का व्यापक रूप से आकाशीय पिंडों जैसे स्टार बनाने वाले कोर या युवा तारकीय वस्तुओं से विद्युत चुम्बकीय संकेतों का पता लगाने में उपयोग किया जाता है। देखे गए घूर्णी संक्रमण के हाइपरफाइन स्पेक्ट्रम में सन्निकट घटकों के बीच अलगाव सामान्यतः रिसीवर के मध्यवर्ती आवृत्ति बैंड के भीतर फिट होने के लिए काफी छोटा होता है। चूंकि ऑप्टिकल गहराई आवृत्ति के साथ बदलती है, हाइपरफाइन घटकों के बीच सामर्थ्य अनुपात उनके आंतरिक (या वैकल्पिक रूप से पतले) तीव्रता से भिन्न होते हैं (ये तथाकथित हाइपरफाइन विसंगतियां हैं, जो प्रायः एचसीएन के घूर्णी संक्रमणों में देखी जाती हैं।). इस प्रकार, ऑप्टिकल गहराई का अधिक यथार्थ निर्धारण संभव है। इससे हम वस्तु के भौतिक मापदंडों को प्राप्त कर सकते हैं।

नाभिकीय स्पेक्ट्रोस्कोपी

परमाणु स्पेक्ट्रोस्कोपी विधियों में, नाभिक का उपयोग सामग्रियों में स्थानीय संरचना की जांच के लिए किया जाता है। विधियां मुख्य रूप से आसपास के परमाणुओं और आयनों के साथ हाइपरफाइन इंटरैक्शन पर आधारित हैं। महत्वपूर्ण विधियाँ परमाणु चुंबकीय अनुनाद, मोसबाउर स्पेक्ट्रोस्कोपी और विकृत कोणीय सहसंबंध हैं। स्पेक्ट्रमिकी, भौतिकी विज्ञान की एक शाखा है जिसमें पदार्थों द्वारा उत्सर्जित या अवशोषित विद्युत चुंबकीय विकिरणों के स्पेक्ट्रमों का अध्ययन किया जाता है और इस अध्ययन से पदार्थों की आंतरिक रचना का ज्ञान प्राप्त किया जाता है। इस शाखा में मुख्य रूप से वर्णक्रम का ही अध्ययन होता है अत: इसे स्पेक्ट्रमिकी या स्पेक्ट्रमविज्ञान कहते हैं।

परमाणु प्रौद्योगिकी

परमाणु वाष्प लेजर समस्थानिक (एवीएलआईएस) प्रक्रिया [[यूरेनियम-238-235]] -235 और यूरेनियम -238 में ऑप्टिकल संक्रमणों के बीच हाइपरफाइन विभाजन का उपयोग करती है ताकि चुनिंदा फोटोयनीकरण हो सके। आवश्यक यथार्थ तरंग दैर्ध्य विकिरण के स्रोतों के रूप में यथार्थ रूप से ट्यून किए गए डाई लेजर का उपयोग किया जाता है। उन सभी प्रौद्योगिकियों को नाभिकीय प्रौद्योगिकी कहते हैं जिनमें कोई नाभिकीय अभिक्रिया सम्मिलित हो। नाभिकीय ऊर्जा, नाभिकीय औषधि, परमाणु हथियार आदि नाभिकीय प्रौद्योगिकी के प्रमुख उदाहरण हैं। वास्तव में नाभिकीय प्रौद्योगिकी का क्षेत्र बहुत विस्तृत हो चुका है तथा यह धूम संसूचक से लेकर नाभिकीय रिएक्टर और परमाणु अस्त्रों तक फैली हुई है।

एसआई, सेकंड और मीटर को परिभाषित करने में उपयोग

हाइपरफाइन संरचना संक्रमण का उपयोग बहुत उच्च स्थिरता, दोहराने योग्यता और क्यू कारक के साथ माइक्रोवेव पायदान फ़िल्टर बनाने के लिए किया जा सकता है, जिसे इस प्रकार बहुत यथार्थ परमाणु घड़ियों के आधार के रूप में उपयोग किया जा सकता है। शब्द संक्रमण आवृत्ति परमाणु के दो अतिसूक्ष्म स्तरों के बीच संक्रमण के अनुरूप विकिरण की आवृत्ति को दर्शाता है, और इसके बराबर है f = ΔE/h, जहाँ ΔE स्तरों और के बीच ऊर्जा में अंतर h प्लैंक स्थिरांक है। सामान्यतः, इन घड़ियों के आधार के रूप में सीज़ियम या रूबिडीयाम परमाणुओं के एक विशेष समस्थानिक की संक्रमण आवृत्ति का उपयोग किया जाता है।

हाइपरफाइन संरचना संक्रमण-आधारित परमाणु घड़ियों की यथार्थता के कारण, वे अब दूसरे की परिभाषा के आधार के रूप में उपयोग की जाती हैं। एक दूसरे को अब यथार्थ रूप से परिभाषित किया गया है 9192631770 सीज़ियम -133 परमाणुओं की हाइपरफाइन संरचना संक्रमण आवृत्ति के चक्र को परिभाषित करता है।

21 अक्टूबर, 1983 को, 17वें सीजीपीएम ने मीटर को एक समय अंतराल के दौरान निर्वात में प्रकाश द्वारा तय किए गए पथ की लंबाई के रूप में परिभाषित किया, जो कि 1/299,792,458 एक सेकंड है।

क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स का यथार्थ परीक्षण

हाइड्रोजन और म्यूओनियम में हाइपरफाइन स्प्लिटिंग का उपयोग उपयुक्त-संरचना स्थिर α के मान को मापने के लिए किया गया है। अन्य भौतिक प्रणालियों में α के मापन के साथ तुलना QED का यथार्थ परीक्षण प्रदान करती है।

आयन-जाल क्वांटम कंप्यूटिंग में क्यूबिट

ट्रैप्ड आयन की हाइपरफाइन अवस्थाओं का उपयोग सामान्यतः आयन-ट्रैप क्वांटम कंप्यूटिंग में क्यूबिट्स को स्टोर करने के लिए किया जाता है। उनके पास बहुत लंबे जीवनकाल होने का लाभ है, प्रयोगात्मक रूप से ~10 मिनट से अधिक (~1 मेटास्टेबल इलेक्ट्रॉनिक स्तरों के लिए)।

स्थितियों के ऊर्जा पृथक्करण से जुड़ी आवृत्ति माइक्रोवेव क्षेत्र में है, जिससे माइक्रोवेव विकिरण का उपयोग करके हाइपरफाइन संक्रमण को चलाना संभव हो जाता है। हालाँकि, वर्तमान में ऐसा कोई उत्सर्जक उपलब्ध नहीं है जिसे किसी क्रम से किसी विशेष आयन को संबोधित करने के लिए केंद्रित किया जा सके। इसके बजाय, आवश्यक संक्रमण की आवृत्ति के बराबर उनकी आवृत्ति अंतर होने से, संक्रमण को चलाने के लिए लेज़र तरंगों की एक जोड़ी का उपयोग किया जा सकता है। यह अनिवार्य रूप से एक उत्तेजित रमन संक्रमण है। इसके अलावा, माइक्रोवेव विकिरण के साथ सीधे लगभग 4.3 माइक्रोमीटर से अलग किए गए दो आयनों को अलग-अलग संबोधित करने के लिए निकट-क्षेत्र के ढाल का शोषण किया गया है।

यह भी देखें

• गतिशील परमाणु ध्रुवीकरण
• इलेक्ट्रॉन पैरामैग्नेटिक अनुनाद

बाहरी संबंध

• The Feynman Lectures on Physics Vol. III Ch. 12: The Hyperfine Splitting in Hydrogen
• Nuclear Magnetic and Electric Moments lookup—Nuclear Structure and Decay Data at the IAEA