Une interaction entre le moment magnétique intrinsèque (spin) d'une particule et son mouvement orbital qui produit un terme d'énergie proportionnel à L·S (ou un opérateur de cette forme), résultant d'effets relativistes et électromagnétiques et entraînant des fractionnements et un mélange des états de moment angulaire.

Principe

Une particule chargée se déplaçant dans un potentiel électrique éprouve, dans son référentiel propre, un champ magnétique effectif qui couple à son moment magnétique de spin ; l'invariance et le développement relativiste (par exemple à partir de l'équation de Dirac) donnent un terme L·S dont la force dépend de la charge nucléaire et du gradient radial du potentiel.

Démonstration

Dans l'atome d'hydrogène, le couplage spin–orbite produit le fractionnement de la structure fine entre états de même n et l mais de j total différent (par exemple 2P1/2 vs 2P3/2) ; ce fractionnement se calcule perturbativement à partir de l'interaction L·S et rend compte des séparations spectrales observées.

Mauvaise application

Traiter le couplage spin–orbite comme une interaction magnétique purement classique sans tenir compte de son origine relativiste, ou utiliser la perturbation L·S alors que le couplage est comparable à d'autres échelles (nécessitant le couplage jj), conduit à des résultats erronés.

Conséquence

Introduit des décalages d'énergie de structure fine, modifie les règles de sélection en couplant spin et partie orbitale en un J total, et affecte les profils spectroscopiques, les dégénérescences de niveaux et les distributions angulaires des transitions.

Inversion

Négliger le couplage spin–orbite (L et S découplés) ramène à des multiplets purement orbitaux étiquetés par l avec une dégénérescence de spin ; cette limite omet les fractionnements et propriétés dépendant de J observés dans les atomes réels, en particulier pour les éléments lourds.

Limite

Pertinent pour des particules de spin non nul et dans des potentiels à gradients significatifs (plus fort pour les atomes à grand numéro atomique) ; ne décrit pas les interactions hyperfines spin–spin, les couplages de type Zeeman dus à champs externes, ni toutes les corrections relativistes orbitales qui requièrent un traitement complet de Dirac.

Tension sémantique

Étroitement lié à d'autres corrections relativistes (terme de Darwin, correction masse-vitesse) et aux interactions hyperfines ; il est essentiel de distinguer spin–orbite des interactions spin–spin ou tensorielles lorsqu'on modèle des spectres ou la physique de spins en systèmes à plusieurs corps.

Synthèse

Le couplage spin–orbite est l'interaction électromagnétique relativiste qui associe le spin d'une particule à son mouvement orbital via un opérateur L·S, produisant les fractionnements de structure fine caractéristiques et le mélange des états de moment angulaire selon J total.