L'atomo di idrogeno: righe, serie e sua importanza in astrofisica

L’idrogeno è l’elemento chimico avente numero atomico Z=1 e questo lo rende il primo elemento del sistema periodico. Esso riveste un ruolo di particolare importanza non solo in meccanica quantistica, per via dell’estrema semplicità che caratterizza la sua struttura, ma anche in astrofisica. L’idrogeno è infatti l’elemento chimico più comune dell’universo osservabile e prende parte ad una varietà di fenomeni astrofisici di grande interesse. Questo documento ha lo scopo di presentare l’atomo di idrogeno fornendo non solo una trattazione approfondita della sua struttura e dell’interazione di tale struttura con la radiazione elettromagnetica, ma anche una contestualizzazione dal punto di vista storico e dei processi astrofisici che lo coinvolgono. Nella prima parte di questo elaborato si presenterà l’atomo di idrogeno fornendone le caratteristiche principali e si procederà a delineare il percorso storico che ha condotto dal modello atomico di Bohr allo sviluppo della descrizione quanto-meccanica di tale atomo. Nella seconda parte di questo documento si presenterà il procedimento che, grazie all’introduzione di alcuni concetti base di meccanica quantistica, porta a ricavare le funzioni d’onda che descrivono gli orbitali dell’atomo di idrogeno e i relativi livelli energetici. Nella seconda parte dell’elaborato si procederà anche ad esaminare le transizioni energetiche dell’atomo di idrogeno introducendo ed analizzando dettagliatamente concetti chiave come l’approssimazione di dipolo elettrico e le relative regole di selezione. L’importanza in astrofisica dell’idrogeno sarà trattata nella terza e ultima parte del documento. A tal proposito, si citeranno ed analizzeranno brevemente: le reazioni nucleari negli interni stellari, la riga a 21cm dell’idrogeno neutro, la legge di Tully-Fisher e il concetto di nube molecolare.