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.
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.”
Richard
Phillips FeynmanÈ 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
