Hyperfijnniveaus

Hyperfijnniveaus zijn energieniveaus in atomen en moleculen die ontstaan door de hyperfijne interactie tussen het kernmagnetische moment en het elektronmoment. Deze interactie leidt tot een kleine splijting van energieniveaus die anders identiek zouden zijn, waardoor een fijnere structuur in de spectra ontstaat. De hyperfijnstructuur is aanwezig in vrijwel alle atoomsoorten en speelt een prominente rol bij precisie-metrologie en spectroscopie.

In de kwantummechanica worden het nucleaire spinmoment I en het elektronische totaalmoment J samengenomen tot het totale moment F = I + J. Voor een gegeven toestand kunnen de waarden van F variëren van |I−J| tot I+J. De hyperfijnsplitting wordt bepaald door twee hoofdtypen interacties: magnetische dipoolinteractie en elektrische quadrupoolinteractie. De eerste leidt tot scheidingen die afhangen van de oriëntatie van I en J, de tweede treedt op wanneer er een niet-sferische ladingverdeling is in de kern en vereist J en I van voldoende grootte.

De energieverschillen tussen hyperfijn niveaus worden vaak beschreven met hyperfijne constanten A (dipool) en B (quadrupool). In experimenten wordt de kloof tussen de hyperfijn-niveaus gemeten als frequenties die variëren van kilohertz tot gigahertz, afhankelijk van het atoom of molecuul. Bekende voorbeelden zijn de hyperfijne overgang in waterstof, die leidt tot de 21 cm-lijn in astrofysica, en de hyperfijne overgang tussen F = 3 en F = 4 in de grondtoestand van cesium-133, die een rol speelt in de definitie van de seconden.

Toepassingen van hyperfijnniveaus omvatten precisie-spectroscopie en atoomklokken, waar de stabiele hyperfijnovergangen als referentie dienen. Ze bieden inzicht in kern- en elektronenstructuren en dragen bij aan fundamenten van metrologie en fundamentalmiddelen.