Спин-орбитальное взаимодействие представляет собой квантово-механический эффект, возникающий вследствие связи между спином электрона и его орбитальным движением в электрическом поле ядра. Данное явление объясняется релятивистской природой движения электрона: в системе отсчёта электрона электрическое поле ядра преобразуется в магнитное поле, которое взаимодействует с собственным магнитным моментом электрона, обусловленным его спином.
В гамильтониане атома или молекулы член спин-орбитальной связи имеет вид:
$$ \hat{H}_{SO} = \zeta(r) \, \hat{\mathbf{L}} \cdot \hat{\mathbf{S}}, $$
где $\hat{\mathbf{L}}$ — оператор орбитального момента, $\hat{\mathbf{S}}$ — оператор спина, а ζ(r) — радиальная функция, зависящая от расстояния до ядра и зарядового числа. Величина ζ(r) возрастает с увеличением атомного номера, что приводит к существенному усилению спин-орбитальных эффектов для тяжёлых элементов.
Электрон, обладающий орбитальным моментом, движется вокруг ядра, создавая в собственной системе отсчёта эффективное магнитное поле. Этот магнитный момент взаимодействует с магнитным моментом, обусловленным спином. В результате наблюдается расщепление энергетических уровней, известное как тонкая структура атомных спектров.
Особенно наглядно эффект проявляется в многоэлектронных системах, где конкурируют кулоновское взаимодействие электронов, обменные эффекты и релятивистские поправки. Спин-орбитальная связь может изменять симметрию состояний, нарушая чистую сепарацию спиновых и орбитальных волновых функций.
В атомных спектрах тонкая структура уровней обусловлена именно спин-орбитальной связью. Для электронов с ненулевым орбитальным моментом l энергетические уровни характеризуются полным моментом импульса j = l + s, где s = 1/2. Это приводит к расщеплению уровней по значению j, а переходы между ними проявляются в виде множества близко расположенных спектральных линий.
Интенсивность и положение линий тонкой структуры играют ключевую роль в интерпретации спектров, особенно для переходных и тяжёлых металлов, где вклад спин-орбитального взаимодействия становится сравнимым с кулоновскими эффектами.
В молекулах спин-орбитальная связь оказывает значительное влияние на электронные переходы, реакционную способность и магнитные свойства. Она приводит к:
Особое значение данное взаимодействие имеет для тяжёлых элементов, таких как платиноиды и актиниды, где релятивистские эффекты формируют уникальные химические свойства, включая необычные валентные состояния и реакционную способность.
Современные методы квантовой химии включают спин-орбитальные поправки на различных уровнях приближения.
Выбор метода зависит от исследуемой системы: для лёгких атомов можно ограничиться возмущениями, а для тяжёлых — необходим полный релятивистский анализ.
Спин-орбитальное взаимодействие является ключевым фактором в ряде химических и физических явлений:
Эти проявления делают спин-орбитальную связь фундаментальным понятием квантовой химии, определяющим не только структуру и спектроскопию, но и реакционную динамику, а также возможности для создания новых материалов с заданными свойствами.