在量子力學中，角動量耦合是由獨立角動量本征態構造出總角動量本征態的過程。這一過程在原子光譜、量子化學以及天文學中都有重要的應用。
定義
角動量耦合是量子力學中的一個重要概念，它描述了如何將獨立的角動量本征態組合成總角動量本征態。例如，單個粒子的軌道和自旋會通過自旋－軌道相互作用相互影響，完整的物理圖象必須包括自旋－軌道耦合。兩個具有明確角動量定義的帶電粒子會通過庫侖力相互作用，耦合這兩個單粒子角動量為總角動量是解兩粒子體系薛定諤方程的有用步驟。在這兩種情況下，單獨的角動量都不再是體系的守恒量，但兩個角動量加和通常仍然是。在原子光譜中，原子角動量的耦合非常重要。電子自旋角動量的耦合對于量子化學非常重要。在核殼層模型中也普遍存在角動量耦合。
在天文學中，自旋軌道耦合同樣反映了天體系統中角動量守恒的一般規律。在簡單情況下，角動量的矢量方向被忽略，而自旋軌道耦合為行星等繞自身軸線旋轉與繞另一個星體旋轉的頻率比值。這更多稱作軌道共振。常見的相關物理效應為潮汐力。
原理
如果系統沒有受到外部轉矩，則該系統的總角動量會維持恒定幅值和方向。角動量是一個運動常量，即保守屬性、和時間無關且定義明確的量，在球對稱勢場或各向同性空間中尤其如此。在這兩種情況下，系統角動量算符與哈密頓算符可以對易，意味著角動量和能量可以同時進行測量。例如，一個原子的電子只受到原子核的庫侖力，如果忽略電子－電子相互作用和其他小的相互作用如自旋軌道耦合，則每個電子的軌道角動量算符與總哈密頓算符對易。另一個例子是剛性定子和轉子在無場空間的運動，它具有明確定義的，與時間無關的角動量。
自旋－軌道耦合
自旋－軌道耦合是指一個次原子粒子的空間角動量與自旋角動量之間的相互作用。粒子軌道運動會在其參考系中產生磁場，該磁場與粒子的軌道角動量的大小和方向有關，而帶自旋的粒子本身會因自旋運動而帶有磁矩，因而會受到該磁場的作用而導致能級發生位移和分裂。旋軌耦合作用是較弱的磁相互作用，在化學中研究得最多的是電子的旋軌耦合。
L-S耦合與j-j耦合
原子中電子的角動量耦合是一個復雜過程，每個電子都有自己的軌道角動量和自旋角動量。對于輕原子，旋軌耦合相對較弱，可以將兩個電子的軌道角動量、自旋角動量分別進行耦合，再將它們進行耦合，這種方案被稱為L-S耦合。L-S耦合是一個近似，但計算和表述起來比較方便，對于原子序數小于40者，能夠給出足夠好的近似。而對于重原子，采用j-j耦合更為合適，即先將每個電子的軌道與自旋角動量進行耦合，再在不同的電子間進行耦合。
自旋－自旋耦合
兩個自旋角動量之間的耦合稱為自旋 - 自旋耦合。電子間的自旋－自旋耦合是最簡單的例子。兩個原子核的自旋角動量耦合是核磁共振研究的內容，而原子核與電子之間的自旋－自旋耦合與原子光譜的超精細結構有關。
參考資料 >