Formula constantei structurii fine
Mai sus aveţi formula acestei constante adimensionale, adică nereprezentând o unitate de măsură a vreunei mărimi din fizică. Literele din formulă sunt la rându-le constante fundamentale: viteza luminii în vid (c), sarcina electronului (e), constanta lui Planck (h) şi permeabilitatea vidului (μ0).
Constanta structurii fine a apărut în peisajul fizicii ca parte integrantă a explicaţiilor pe care oamenii de ştiinţă le-au oferit pentru anumite detalii observate în cadrul spectrelor atomice. În timpul secolului al XIX-lea s-a descoperit faptul că diferite elemente chimice absorb ori emit lumină de doar anumite lungimi de undă, reprezentate sub forma unor linii întunecate ori luminoase în cadrul spectrului vizibil şi denumite linii spectrale (luminoase, în cadrul spectrului de emisie şi întunecate, în cazul celui de absorbţie).
Spectru de emisie - Wikimedia Commons
Spectru de absorbţie - Wikimedia Commons
La începutul sec. XX, Niels Bohr a dezvoltat un model teoretic care prezicea cu succes liniile spectrale ale atomilor de hidrogen. Modelul său avea la bază ideea că electronul nu putea ocupa decât anumite orbite discrete în jurul protonului central.
Linii spectrale ale atomului de hidrogen
La o privire atentă însă, liniile spectrale ale hidrogenului au indicat faptul că modelul atomic al atomului lui Bohr nu era extrem de precis. Prin mărirea de peste 1000 de ori a spectrului de deasupra în zona liniei de culoare roşie s-a constatat că, de fapt, există două linii spectrale foarte apropiate una de cealaltă.
Structura fină a liniilor spectrale ale atomului de hidrogen
După cum se vede în descrierea imaginii de mai sus, aşa s-a născut ideea de structură fină, cu referire la structura de detaliu a liniilor spectrale ale hidrogenului. Acum intervine în discuţie şi constanta structurii fine notată α şi aproximativ egală cu 1/137. Fizicianul Arnold Sommerfeld a reuşit să explice această mică diviziune a liniilor spectrale extinzând modelul atomic al lui Bohr. Aşa a apărut modelul atomic Bohr-Somerfeld. Sommerfeld a introdus orbite eliptice şi a ţinut cont şi de relativitatea specială, spre deosebire de Bohr, care a folosit orbite circulare.
Sommerfeld a postulat existenţa unui set de orbite eliptice discrete, posibile pentru fiecare orbită circulară a lui Bohr şi tinând cont şi de schimbarea relativistică de masă a electronului corespunzătoare diferitelor orbite pe care acesta se află, a reuşit să explice această minusculă diviziune a liniilor de spectru atomic.
Aşadar, în fizica atomică, conceptul de structură fină descrie diviziunea liniilor spectrale atomice datorată unor corecţii relativistice de ordinul 1. Ordinul acestei diviziuni raportate la structura grosieră a liniilor spectrale este direct proporţional cu (Zα) la pătrat , unde Z este numărul atomic al elementului chimic pentru care se fac corecţiile, iar α este tocmai această constantă a structurii fine. În cazul hidrogenului Z=1.
Deşi mulţumitor în cazul hidrogenului, acest model atomic nu putea explica o serie de alte detalii ale spectrelor atomice şi nici nu putea fi aplicat altor elemente chimice. Modelele ulterioare introduse de Heisenberg şi Schrödinger şi îmbunătăţite prin încorporarea relativităţii speciale de Dirac au adus rezultatele teoretice şi mai aproape de rezultatele experimentale.
Constanta structurii fine a supravieţuit acestor modele, deoarece chiar şi Dirac a folosit-o pentru a determina ceea ce am numit structura fină a liniilor spectrale atomice.
Odată cu apariţia şi dezvoltarea electrodinamicii cuantice, o teorie a electromagnetismului foarte exactă, constanta structurii fine a început să joace un rol fundamental, încetând a mai fi doar parte a unei formule de calcul a liniilor spectrale atomice. Ea reprezintă un etalon pentru măsurarea interacţiunii electromagnetice, descriind cât de puternic interacţionează electronii şi fotonii unii cu alţii.
Ea este una dintre cele 25 de constante fundamentale încorporate în Modelul Standard al fizicii particulelor, după cum probabil ştie orice absolvent al unei facultăţi de fizică.
Bibliografie:
http://blog.chungyc.org/2008/10/137/
http://en.wikipedia.org/wiki/Fine_structure
Răspuns republicat din vechea secțiune Q&A
