Struttura iperfine

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Schema della struttura fine e iperfine dell'idrogeno.

In fisica atomica, l'interazione iperfine è la debole interazione magnetica tra gli elettroni e il nucleo dell'atomo. Questa interazione è causa della separazione dei livelli energetici atomici o molecolari in sotto-livelli, che formano la cosiddetta struttura iperfine dello spettro atomico o molecolare.

La struttura iperfine fu osservata già da Michelson nel 1881, e fu spiegata teoricamente da Wolfgang Pauli nel 1924.


Teoria[modifica | modifica wikitesto]

Da un punto di vista classico, l'elettrone in moto intorno al nucleo ha un momento di dipolo magnetico che interagisce con il momento magnetico del nucleo, dovuto al suo spin. Questa interazione si può considerare come la causa della separazione di struttura iperfine.

La correzione alle energie dei livelli dell'atomo di idrogeno è dell'ordine di

\frac{m_{\rm e}}{m_{\rm p}} \alpha^4 m c^2

dove

~m_{\rm e}~ è la massa dell'elettrone,
~m_{\rm p}~ è la massa del protone,
~\alpha~ è la costante di struttura fine ~(~\alpha \approx 1/137.036~)~, e
~c~ è la velocità della luce.

Per gli altri atomi, lo spin nucleare \vec{I} e il momento angolare dell'elettrone \vec{J} = \vec{L} + \vec{S} si sommano ottenendo il momento angolare totale \vec{F} = \vec{J} + \vec{I}.

La separazione di struttura iperfine è quindi

\Delta E = - (\vec{\mu}_I \cdot \vec{B}_J) = \frac{a}{2} [ F(F+1) - I(I+1) - J(J+1)],

dove

a = \frac{g_I (\vec{\mu}_{\rm N} \cdot \vec{B}_J)}{\sqrt{J(J+1)}},
\vec{\mu}_{\rm N} è il momento di dipolo magnetico del nucleo, e
\vec{B}_J è il campo magnetico atomico.

Ogni livello viene suddiviso in ~(J+I) - |J-I|+ 1~ livelli.

Per l'idrogeno, ~\Delta E~ è nell'ordine dei 10^{-6} eV (6 x 10^{-6} eV per il livello fondamentale): si tratta di un effetto inferiore di almeno 1 ordine di grandezza rispetto alla separazione di struttura fine, e ciò giustifica la dicitura iperfine.

Applicazioni[modifica | modifica wikitesto]

Definizione di secondo[modifica | modifica wikitesto]

Le frequenze di transizione tra due livelli iperfini, essendo ~\Delta E~ molto piccola, sono solitamente nell'intervallo delle radiofrequenze o delle microonde.

Le transizioni tra livelli iperfini di particolari isotopi di cesio o rubidio sono usate come base per la realizzazione di orologi atomici precisissimi.

Attualmente, il secondo è definito come durata di 9.192.631.770 cicli della transizione di struttura iperfine del cesio-133.

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

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