s軌道とp軌道のエネルギーの違い

質問

s軌道とp軌道のエネルギーの違いが生じる理由について教えていただけないでしょうか。

例えば、ナトリウムは3p-3s間でＤ線の発光をしますよね？
このとき、スピン軌道相互作用によって3p準位が２つに分裂して
Ｄ線は２本観測されると書籍にはあります。

しかしながら、3sと3pでは主量子数n=3で共通なので、3sと3pのエネルギー準位は一致し、そもそも発光が起きないように思えてならないのです。
私は、3sと3pはlの値のみが異なっており(l=0とl=1)、磁場をかけてゼーマン効果が生じない限り２つのエネルギー準位に差はないのでは、と思っています。

実際には発光が起きているので私の考え方が間違っているはずなのです。
s軌道とp軌道のエネルギーの違いが生じる理由、及びナトリウムにおいて3sと3p間で発光が生じる理由を教えていただけないでしょうか。

回答No.2

astra0641 · ベストアンサー

水素原子のエネルギー準位は確かにｓ軌道とｐ軌道は同エネルギーです。が、ヘリウム以降の2個以上の電子を持つ原子では、ｓ軌道とｐ軌道ではエネルギーが異なります。これは、より内核の電子が原子核の電荷を遮蔽するのですが、ｓ軌道とｐ軌道ではｓ軌道の方が原子付近の存在確率密度が大きいために、原子核とのクーロン相互作用が大きく、エネルギーが低下するためです。水素以外は、ｓ、ｐ、ｄの縮退は解けています。
というわけで、ｓ軌道とｐ軌道でエネルギーが異なっていれば、選択律からｓ軌道とｐ軌道の遷移は許容ですので、発行が生じます。

お礼

大変分かりやすい説明をありがとうございます。
現在使用している参考書では説明していただいた内容については触れられておらずいきなりNaの発光へ話が進んでいたので難儀していました。

回答No.3

Tacosan

ん～, 例えば N2 とか O2 の分子軌道考えたら 2s と 2p でエネルギーが違うことはほぼ明確なんだけど, これはどっちかというと化学の話でしょうか?

補足

分子軌道については勉強したことがありませんでした。
もしも簡単に説明可能な内容でしたら、説明をお願いできないでしょうか。

回答No.1

Tacosan

「3s と 3p のエネルギー準位は同じ」と思った根拠は?

補足

No.2のかたの書き込みで間違いに気づいたのですが、
各準位のエネルギーは主量子数nのみで決まると思っていたためです。

こう考えていた根拠は、水素原子の各準位のエネルギーは
主量子数nのみで決定されるためです。