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Feinstrukturkonstante

Die Feinstrukturkonstante ist eine physikalische Konstante der Dimension Zahl, die die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung angibt. Sie wurde 1916 von Arnold Sommerfeld bei der theoretischen Erklärung der Aufspaltung (Feinstruktur) von Spektrallinien im Spektrum des Wasserstoffatoms eingeführt, daher wird sie auch Sommerfeldkonstante oder Sommerfeldsche Feinstrukturkonstante genannt.

Physikalische Konstante
Name Feinstrukturkonstante
Formelzeichen
Wert
SI 7.2973525693(11)e-3
≈ 1⁄137
Unsicherheit (rel.) 1.5e-10
Bezug zu anderen Konstanten
Quellen und Anmerkungen
Quelle SI-Wert: CODATA 2018 (Direktlink)
Der Wert gilt für jedes Einheiten­system, nicht nur SI.
Sommerfeld-Büste in der Universität München. Unter der Büste steht die Formel der Feinstruktur­konstante (angegeben im Gaußschen Einheiten­system).

Sommerfeld definierte sie ursprünglich als das Verhältnis der Bahngeschwindigkeit des Elektrons im Grundzustand des Bohrschen Wasserstoffatoms zur Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

In der Quantenelektrodynamik steht die Feinstrukturkonstante für die Stärke, mit der das Austauschteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung, das Photon, an ein elektrisch geladenes Elementarteilchen, zum Beispiel ein Elektron, koppelt. Daher ist sie die elektromagnetische Kopplungskonstante, die bestimmt, wie stark die (abstoßenden oder anziehenden) Kräfte zwischen elektrisch geladenen Teilchen sind und wie schnell die elektromagnetisch verursachten Prozesse, z. B. die spontane Emission von Licht, ablaufen.

Wert Bearbeiten

Der vom Committee on Data for Science and Technology empfohlene Wert beträgt:

wobei die eingeklammerten Ziffern die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes bezeichnen. Diese Unsicherheit ist als geschätzte Standardabweichung des angegebenen Zahlenwertes vom tatsächlichen Wert angegeben.

Der bisher genaueste Wert (Genauigkeit ) wurde 2018 mittels Atominterferometrie bestimmt:

Messungen an der TU Wien auf Grundlage des Quanten-Hall-Effekts ergaben einen Wert von

Die Feinstrukturkonstante ist mit der Elementarladung, der Planck-Konstante , der Lichtgeschwindigkeit und der elektrischen Feldkonstante wie folgt verknüpft:

Den Konstanten und wurde im internationalen Einheitensystem (SI) ein fester Wert zugewiesen. Daher ist die Feinstrukturkonstante direkt und mit identischer Messgenauigkeit mit der elektrischen Feldkonstante verknüpft.

Vor der Revision des SI im Jahr 2019 waren und fest definiert, und hingegen experimentell zu bestimmende Größen. Für die Messung der Feinstrukturkonstante nutzte man aus, dass der Kehrwert des aus dem Quanten-Hall-Effekt bestimmbaren von-Klitzing’schen Elementarwiderstandes ist, der sehr genau gemessen werden konnte.

Vergleich der Grundkräfte der Physik Bearbeiten

Direkt kann die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung nur mit der Gravitation verglichen werden, da beide Kräfte dem gleichen Abstandsgesetz gehorchen: Die Stärke der Kraft nimmt mit dem Quadrat des Abstandes ab.

Will man die durch die Gravitationskonstante angegebene Stärke der Gravitation zwischen zwei Elementarteilchen in einer wie die Feinstrukturkonstante dimensionslosen Zahl angeben, so hängt dieser Wert von der Masse der beiden Elementarteilchen ab. Für die Stärke zwischen zwei relativ massereichen Protonen erhält man eine größere dimensionslose Zahl als für die Stärke zwischen zwei Elektronen. Aber selbst für die Anziehungskraft zwischen zwei Protonen erhält man nur:

Vergleicht man diesen Wert mit der Feinstrukturkonstanten, die die Stärke der elektrischen Abstoßung zwischen den beiden Protonen angibt, sieht man, dass die elektromagnetische Wechselwirkung etwa 1036-mal stärker ist als die Gravitation (Hierarchieproblem).

Die Starke Wechselwirkung hat eine energieabhängige (‚laufende') Kopplungskonstante. Der Vergleichswert für die Kraft zwischen zwei Nukleonen im Atomkern ist

Vergleicht man die Zerfallsraten aus starken und schwachen Zerfällen, so erhält man für die Schwache Kraft eine Kopplungskonstante von

Zeitliche Konstanz Bearbeiten

Die Antwort auf die Frage, ob die Feinstrukturkonstante zeitlich variiert oder seit dem Urknall unverändert ist, ist von beträchtlichem theoretischen Interesse. Bisherige Überlegungen und Messungen konnten bislang keine Veränderung signifikant nachweisen.

Experimente und Messungen dazu werden auf ganz unterschiedlichen Zeitskalen durchgeführt:

  • Laborexperimente, beispielsweise mit Atomuhren, können die relative zeitliche Veränderung von auf höchstens (−1,6 ± 2,3) × 10−17/Jahr einschränken.
  • Die Beobachtung von Absorptionslinien von Quasaren verbessert diese Genauigkeit um ein bis zwei Größenordnungen, wobei die Behandlung systematischer Fehler aber schwierig ist und bislang sowohl signifikant positive als auch Nullresultate publiziert wurden. Eine abschließende Auswertung aller Daten steht noch aus.
  • Die Betrachtung der primordialen Nukleosynthese ergibt keine Veränderungen auch für Zeiten unmittelbar nach dem Urknall, allerdings mit größerer Unsicherheit.
  • Der Naturreaktor Oklo und die Isotopenverteilung in Meteoriten wurden ebenfalls für Abschätzungen benutzt.

1999 behauptete ein Team unter der Leitung von John K. Webb erstmals eine Variation in α entdeckt zu haben. Im April 2020 bestätigen Wissenschaftler unter der Leitung von Webb vier Messungen der Feinstrukturkonstante mittels Quasar ULAS J1120+0641 und berichteten, dass der Wert der „Konstante“ von anderen Messdaten variiert. Ihre Studie bestärkt die Hypothese, nach der physikalische Gesetze in räumlichen „Richtungen“ des Universums variieren können und es somit anisotropisch ist. Dies hätte Implikationen für Theorien zur Entstehung der Bewohnbarkeit des Alls. Bereits 2011 wurde eine Studie über Indizien zu einem räumlichen Dipol im All veröffentlicht.

Zitate Bearbeiten

“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.”

„Sie war stets ein Mysterium, seit sie vor über fünfzig Jahren entdeckt wurde, und alle guten theoretischen Physiker hängen sich diese Zahl an die Wand und zerbrechen sich über sie den Kopf.“

– Richard P. Feynman

Weblinks Bearbeiten

Commons: Feinstrukturkonstante – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Arnold Sommerfeld: Zur Quantentheorie der Spektrallinien. In: Annalen der Physik. Band 4, Nr. 51, 1916, S. 51–52 (hathitrust.org). Gleichung 12a, "rund "
  2. Arnold Sommerfeld: Atombau und Spektrallinien. Braunschweig: Friedr. Vieweg & Sohn, 2. Auflage, 1921, S. 241–242, Gleichung 8. online "Das Verhältnis nennen wir ."
  3. CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 6. Juni 2019. Wert für .
  4. CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 6. Juni 2019. Wert für .
  5. Richard H. Parker, Chenghui Yu, Weicheng Zhong, Brian Estey, Holger Müller: Measurement of the fine-structure constant as a test of the Standard Model, Science 360 (2018) 191–95, Abstract
  6. Rainer Scharf: Rekordmessung der Feinstrukturkonstanten, Pro Physik, 13. April 2018.
  7. Nadja Podbregar: Feinstrukturkonstante neu gemessen. In: scinexx.de. 22. November 2022, abgerufen am 1. Mai 2023.
  8. Rohlf, James William: Modern Physics from a to Z0. Wiley 1994.
  9. John D. Barrow: Varying Constants, Phil. Trans. Roy. Soc. Lond. A363 (2005) 2139–2153, arxiv:astro-ph/0511440
  10. Jean-Philippe Uzan: The fundamental constants and their variation: observational status and theoretical motivations. Rev.Mod.Phys. 75 (2003) 403, arxiv:hep-ph/0205340
  11. T. Rosenband: Frequency Ratio of Al+ and Hg+ Single-Ion Optical Clocks; Metrology at the 17th Decimal Place. Science, Vol. 319, 28. März 2008.
  12. M. T. Murphy, J. K. Webb, V. V. Flambaum: Further Evidence for a Variable Fine-Structure Constant from Keck/HIRES QSO Absorption Spectra. In: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Band 345, 2003, S. 609, doi:10.1046/j.1365-8711.2003.06970.x, arxiv:1008.3907.
  13. R. Quast, D. Reimers, S. A. Levshakov: Probing the variability of the fine-structure constant with the VLT/UVES. Astron. Astrophys. 415 (2004) L7, arxiv:astro-ph/0311280
  14. Hans Klapdor-Kleingrothaus, A. Staudt: Teilchenphysik ohne Beschleuniger. Teubner, 1995, ISBN 3-519-03088-8.
  15. Yasunori Fujii: Oklo Constraint on the Time-Variability of the Fine-Structure Constant. In: S. G. Karshenboim und E. Peik (Hrsg.): Astrophysics, Clocks and Fundamental Constants. Lecture Notes in Physics 648, Springer 2004, S. 167–185, doi:10.1007/978-3-540-40991-5_11, arxiv:hep-ph/0311026
  16. J. K. Webb: Search for Time Variation of the Fine Structure Constant. In: Physical Review Letters. Band 82, Nr. 5, 1999, S. 884–887, doi:10.1103/PhysRevLett.82.884, arxiv:astro-ph/9803165, bibcode:1999PhRvL..82..884W (cern.ch).
  17. New findings suggest laws of nature 'downright weird,' not as constant as previously thought. In: phys.org. Abgerufen am 17. Mai 2020 (englisch).
  18. David Field: New Tests Suggest a Fundamental Constant of Physics Isn't The Same Across The Universe. In: ScienceAlert.com. 28. April 2020, abgerufen am 29. April 2020.
  19. Michael R. Wilczynska, et al.: Four direct measurements of the fine-structure constant 13 billion years ago. In: Science Advances. Band 6, Nr. 17, 1. April 2020, S. eaay9672, doi:10.1126/sciadv.aay9672, PMID 32426462, arxiv:2003.07627, bibcode:2020SciA....6.9672W.
  20. QED – The strange theory of light and matter, Princeton University Press 1985, S. 129.
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Veröffentlichungsdatum:
Die Feinstrukturkonstante a displaystyle alpha ist eine physikalische Konstante der Dimension Zahl die die Starke der elektromagnetischen Wechselwirkung angibt Sie wurde 1916 von Arnold Sommerfeld bei der theoretischen Erklarung der Aufspaltung Feinstruktur von Spektrallinien im Spektrum des Wasserstoffatoms eingefuhrt 1 daher wird sie auch Sommerfeldkonstante oder Sommerfeldsche Feinstrukturkonstante genannt Physikalische KonstanteName FeinstrukturkonstanteFormelzeichen a displaystyle alpha WertSI 7 297 352 5693 11 e 3 1 137Unsicherheit rel 1 5e 10Bezug zu anderen Konstantena e 2 4 p e 0 ℏ c displaystyle alpha frac e 2 4 pi varepsilon 0 hbar c Quellen und AnmerkungenQuelle SI Wert CODATA 2018 Direktlink Der Wert gilt fur jedes Einheiten system nicht nur SI Sommerfeld Buste in der Universitat Munchen Unter der Buste steht die Formel der Feinstruktur konstante angegeben im Gaussschen Einheiten system Sommerfeld definierte sie ursprunglich als das Verhaltnis der Bahngeschwindigkeit des Elektrons im Grundzustand des Bohrschen Wasserstoffatoms zur Lichtgeschwindigkeit im Vakuum 2 In der Quantenelektrodynamik steht die Feinstrukturkonstante fur die Starke mit der das Austauschteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung das Photon an ein elektrisch geladenes Elementarteilchen zum Beispiel ein Elektron koppelt Daher ist sie die elektromagnetische Kopplungskonstante die bestimmt wie stark die abstossenden oder anziehenden Krafte zwischen elektrisch geladenen Teilchen sind und wie schnell die elektromagnetisch verursachten Prozesse z B die spontane Emission von Licht ablaufen Inhaltsverzeichnis 1 Wert 2 Vergleich der Grundkrafte der Physik 3 Zeitliche Konstanz 4 Zitate 5 Weblinks 6 EinzelnachweiseWert BearbeitenDer vom Committee on Data for Science and Technology empfohlene Wert betragt 3 4 a 7 297 352 569 3 11 10 3 1 137 035 999 084 21 displaystyle alpha 7 297 352 569 3 11 cdot 10 3 frac 1 137 035 999 084 21 nbsp wobei die eingeklammerten Ziffern die Unsicherheit in 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Einheitensystem SI ein fester Wert zugewiesen Daher ist die Feinstrukturkonstante direkt und mit identischer Messgenauigkeit mit der elektrischen Feldkonstante e 0 displaystyle varepsilon 0 nbsp verknupft Vor der Revision des SI im Jahr 2019 waren c displaystyle c nbsp und e 0 displaystyle varepsilon 0 nbsp fest definiert h displaystyle h nbsp und e displaystyle e nbsp hingegen experimentell zu bestimmende Grossen Fur die Messung der Feinstrukturkonstante nutzte man aus dass e 2 h displaystyle e 2 h nbsp der Kehrwert des aus dem Quanten Hall Effekt bestimmbaren von Klitzing schen Elementarwiderstandes ist der sehr genau gemessen werden konnte Vergleich der Grundkrafte der Physik BearbeitenDirekt kann die Starke der elektromagnetischen Wechselwirkung nur mit der Gravitation verglichen werden da beide Krafte dem gleichen Abstandsgesetz gehorchen Die Starke der Kraft nimmt mit dem Quadrat des Abstandes ab 8 Will man die durch die Gravitationskonstante angegebene Starke der Gravitation zwischen zwei Elementarteilchen in einer wie die Feinstrukturkonstante dimensionslosen Zahl angeben so hangt dieser Wert von der Masse der beiden Elementarteilchen ab Fur die Starke zwischen zwei relativ massereichen Protonen erhalt man eine grossere dimensionslose Zahl als fur die Starke zwischen zwei Elektronen Aber selbst fur die Anziehungskraft zwischen zwei Protonen erhalt man nur a G G m p 2 ℏ c 5 9 10 39 displaystyle alpha G frac G m p 2 hbar c approx 5 9 cdot 10 39 nbsp Vergleicht man diesen Wert mit der Feinstrukturkonstanten die die Starke der elektrischen Abstossung zwischen den beiden Protonen angibt sieht man dass die elektromagnetische Wechselwirkung etwa 1036 mal starker ist als die Gravitation Hierarchieproblem Die Starke Wechselwirkung hat eine energieabhangige laufende Kopplungskonstante Der Vergleichswert fur die Kraft zwischen zwei Nukleonen im Atomkern ist a s 1 displaystyle alpha s cong 1 nbsp Vergleicht man die Zerfallsraten aus starken und schwachen Zerfallen so 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primordialen Nukleosynthese ergibt keine Veranderungen auch fur Zeiten unmittelbar nach dem Urknall allerdings mit grosserer Unsicherheit Der Naturreaktor Oklo 14 15 und die Isotopenverteilung in Meteoriten wurden ebenfalls fur Abschatzungen benutzt 1999 behauptete ein Team unter der Leitung von John K Webb erstmals eine Variation in a entdeckt zu haben 16 Im April 2020 bestatigen Wissenschaftler unter der Leitung von Webb vier Messungen der Feinstrukturkonstante mittels Quasar ULAS J1120 0641 und berichteten dass der Wert der Konstante von anderen Messdaten variiert Ihre Studie bestarkt die Hypothese nach der physikalische Gesetze in raumlichen Richtungen des Universums variieren konnen und es somit anisotropisch ist Dies hatte Implikationen fur Theorien zur Entstehung der Bewohnbarkeit des Alls Bereits 2011 wurde eine Studie uber Indizien zu einem raumlichen Dipol im All veroffentlicht 17 18 19 Zitate Bearbeiten 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 Sie war stets ein Mysterium seit sie vor uber funfzig Jahren entdeckt wurde und alle guten theoretischen Physiker hangen sich diese Zahl an die Wand und zerbrechen sich uber sie den Kopf Richard P Feynman 20 Weblinks Bearbeiten nbsp Commons Feinstrukturkonstante Sammlung von Bildern Videos und AudiodateienEinzelnachweise Bearbeiten Arnold Sommerfeld Zur Quantentheorie der Spektrallinien In Annalen der Physik Band 4 Nr 51 1916 S 51 52 hathitrust org Gleichung 12a rund 7 10 3 displaystyle 7 cdot 10 3 nbsp Arnold Sommerfeld Atombau und Spektrallinien Braunschweig Friedr Vieweg amp Sohn 2 Auflage 1921 S 241 242 Gleichung 8 online Das Verhaltnis v 1 c displaystyle v 1 c nbsp nennen wir a displaystyle alpha nbsp CODATA Recommended Values National Institute of Standards and Technology abgerufen am 6 Juni 2019 Wert fur a displaystyle alpha nbsp CODATA Recommended Values National Institute of Standards and Technology abgerufen am 6 Juni 2019 Wert fur 1 a displaystyle tfrac 1 alpha nbsp Richard H Parker Chenghui Yu Weicheng Zhong Brian Estey Holger Muller Measurement of the fine structure constant as a test of the Standard Model Science 360 2018 191 95 Abstract Rainer Scharf Rekordmessung der Feinstrukturkonstanten Pro Physik 13 April 2018 Nadja Podbregar Feinstrukturkonstante neu gemessen In scinexx de 22 November 2022 abgerufen am 1 Mai 2023 Rohlf James William Modern Physics from a to Z0 Wiley 1994 John D Barrow Varying Constants Phil Trans Roy Soc Lond A363 2005 2139 2153 arxiv astro ph 0511440 Jean Philippe Uzan The fundamental constants and their variation observational status and theoretical motivations Rev Mod Phys 75 2003 403 arxiv hep ph 0205340 T Rosenband Frequency Ratio of Al and Hg Single Ion Optical Clocks Metrology at the 17th Decimal Place Science Vol 319 28 Marz 2008 M T Murphy J K Webb V V Flambaum Further Evidence for a Variable Fine Structure Constant from Keck HIRES QSO Absorption Spectra In Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Band 345 2003 S 609 doi 10 1046 j 1365 8711 2003 06970 x arxiv 1008 3907 R Quast D Reimers S A Levshakov Probing the variability of the fine structure constant with the VLT UVES Astron Astrophys 415 2004 L7 arxiv astro ph 0311280 Hans Klapdor Kleingrothaus A Staudt Teilchenphysik ohne Beschleuniger Teubner 1995 ISBN 3 519 03088 8 Yasunori Fujii Oklo Constraint on the Time Variability of the Fine Structure Constant In S G Karshenboim und E Peik Hrsg Astrophysics Clocks and Fundamental Constants Lecture Notes in Physics 648 Springer 2004 S 167 185 doi 10 1007 978 3 540 40991 5 11 arxiv hep ph 0311026 J K Webb Search for Time Variation of the Fine Structure Constant In Physical Review Letters Band 82 Nr 5 1999 S 884 887 doi 10 1103 PhysRevLett 82 884 arxiv astro ph 9803165 bibcode 1999PhRvL 82 884W cern ch New findings suggest laws of nature downright weird not as constant as previously thought In phys org Abgerufen am 17 Mai 2020 englisch David Field New Tests Suggest a Fundamental Constant of Physics Isn t The Same Across The Universe In ScienceAlert com 28 April 2020 abgerufen am 29 April 2020 Michael R Wilczynska et al Four direct measurements of the fine structure constant 13 billion years ago In Science Advances Band 6 Nr 17 1 April 2020 S eaay9672 doi 10 1126 sciadv aay9672 PMID 32426462 arxiv 2003 07627 bibcode 2020SciA 6 9672W QED The strange theory of light and matter Princeton University Press 1985 S 129 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Feinstrukturkonstante amp oldid 234034463