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Nel modello atomico di Bohr (1913) il nucleo, posto al centro dell’atomo, ospita protoni carichi positivamente e neutroni, mentre gli elettroni, carichi negativamente, ruotano intorno a esso entro determinati orbitali in dipendenza dal livello di energia.
Il modello, applicato all'atomo di idrogeno, ottenne risultati coincidenti, entro il margine degli errori, con lo spettro sperimentale.
Il perfezionamento del modello di Bohr, proposto da Sommerfeld e Wilson, contiene tuttavia un aspetto fondamentale, cioè la valutazione degli effetti relativistici.
In particolare, Sommerfeld, valutando il rapporto tra la velocità dell’elettrone sulla prima orbita dell’atomo di Bohr e la velocità della luce nel vuoto introdusse la “costante di struttura fine” definita come:
Considerazioni dimensionali mostrano che essa è un numero puro, la sola quantità adimensionale che può essere formata con le tre costanti e, h e c (rispettivamente: carica dell’elettrone, costante di Planck e velocità della luce nel vuoto).
Il nome deriva dal fatto che determina la misura della separazione di struttura fine negli spettri atomici.
La formula di Sommerfeld è stata ben confermata non solo negli spettri ottici, ma anche nella regione dei raggi X. Poiché la successiva equazione di Dirac per l’elettrone porta esattamente al medesimo risultato, essa fu considerata come una delle poche acquisizioni definitive della fisica. Tuttavia in seguito furono scoperte nuove deviazioni. La tecnica usata in questo caso fu quella delle onde radar, la stessa utilizzata nella risonanza magnetica.
La non spiegata “costante di struttura fine” alfa, caratterizza l’intensità delle interazioni elettromagnetiche nel “Modello standard”, in quanto ne esprime la costante di accoppiamento,
cioè una delle costanti che in fisica sono proprie di ciascuna delle quattro forze o interazioni fondamentali della natura: la forza elettromagnetica, la forza nucleare debole, la forza nucleare forte e la forza di gravità.
Il più noto tentativo fatto per trovare una spiegazione al valore di alfa, fu quello di Arthur Eddington, secondo cui il reciproco di questa costante ha il valore di:½ n2 (n2 + 1) + 1 per n=4, cioè esattamente 137.
A dire il vero, partendo da argomenti di estetica e numerologia, Eddington asserì che la costante di struttura fine (che all’epoca era stata stimata avere un valore di circa 1/136) valesse esattamente 1/136. Quando nel 1938 le misure dimostrarono che il valore di questa costante si avvicinava a 1/137, Eddington cercò di spiegarlo collegando 137 al cosiddetto numero di Eddington, una sua stima del numero esatto di elettroni nell'Universo.
La costante di struttura fine ha grande importanza nella teoria filosofico-scientifica del principio antropico; difatti questo parametro adimensionale ha una influenza fondamentale sull'universo. Se il suo valore fosse diverso anche di poco (circa il 10-20%) dal valore noto, l'universo sarebbe diverso da come lo vediamo, e le leggi fisiche non sarebbero come le conosciamo. Per esempio i rapporti tra le forze attrattive e repulsive tra le particelle elementari sarebbero diversi, con conseguenze sulla costituzione della materia e l'attività delle stelle. In un universo con alfa differente noi stessi non potremmo esistere.
La costante di struttura fine sta sempre più acquistando visibilità in cosmologia, in quanto ha un ruolo importante nella teoria delle stringhe e del multiverso.
http://en.wikipedia.org/wiki/Eddington_number
http://www.goodreads.com/quotes/tag/fine-structure-constant
http://storiascienza.scienze.unipd.it//CorsoIngegneria0708/Lectio6_FisNovecentoMQ.pdf
“It has been a mystery ever since it was discovered more than fifty years ago, and all good theoretical physicists put this number up on their wall and worry about it.Richard Phillips Feynman
È stato un mistero fin dalla sua scoperta avvenuta più di cinquanta anni fa e tutti i fisici teorici appendono questo numero sulla parete di fronte a loro e si interrogano sul suo significato.”
È stato un mistero fin dalla sua scoperta avvenuta più di cinquanta anni fa e tutti i fisici teorici appendono questo numero sulla parete di fronte a loro e si interrogano sul suo significato.”
“Bene, credo che attualmente la fisica sia di fronte a due problemi fondamentali. Uno è quello di arrivare a una meccanica quantistica senza infiniti e l’altro è arrivare a una meccanica quantistica che fissi il valore della costante alfa, cioè della carica elettrica elementare.”Paul Adrien Maurice Dirac
“ If alpha [the fine-structure constant] were bigger than it really is, we should not be able to distinguish matter from ether [the vacuum, nothingness], and our task to disentangle the natural laws would be hopelessly difficult. The fact however that alpha has just its value 1/137 is certainly no chance but itself a law of nature. It is clear that the explanation of this number must be the central problem of natural philosophy.”Max Born