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Feinstrukturkonstante


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Allgemeines

Die Feinstrukturkonstante <math> \alpha </math> ist fundamentale Konstante die in physikalischen Theorien im folgende Bedeutungen besitzt:

  1. Sie ist eine dimensionlose Kombination von Fundamentalkonstanten und besitzt deshalb eine grundlegende Bedeutung die gesamte Physik .
  2. Sie beschreibt die Aufspaltung ( Feinstruktur ) von Spektrallinien im Spektrum des Wasserstoffatoms .
  3. Sie ist die elektromagnetische Kopplungskonstante das sie beschreibt die Wechselwirkung zwischen Photonen und elektrisch geladenen Elementarteilchen wie zum Beispiel dem Elektron . Diese Wechselwirkung äußert sich unter anderem der Emission von Photonen durch ein schwingendes (Dipolstrahlung). Über die Feinstrukturkonstante ist eine Charakterisierung Stärke der elektromagnetischen Kraft möglich da diese Kraft durch den von Photonen zwischen geladenen Teilchen vermittelt wird.

Der Wert von <math> \alpha </math>

<math> \alpha = \frac{1}{137 035 999 \cong \frac{1}{137} </math>

Vergleich der Grundkräfte

Wie kann eine reine Zahl die einer Kraft angeben? Womit wird verglichen? Eine der Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung ergibt sich Beispiel aus dem Coulomb-Kraftgesetz für die elektrostatische Anziehung zwischen zwei mit den Elementarladungen <math> e </math>:

  
<math> F_{el} = \frac{e \cdot e}{4 \epsilon_0} \frac{1}{r^2} </math>

Für andere Wechselwirkungen (Gravitation Kernkräfte) kann ähnliche Kraftgesetze aufstellen. Man vergleicht die Stärke Kräfte bei gleichem Abstand <math> r </math>. nutzt man aus daß der Term <math> /4 \pi \epsilon_0 </math> die Dimension Energie mal Länge besitzt und somit bei durch eine Größe der selben Dimension dann reine Zahl entsteht. Nimmt man <math> \hbar </math> als Vergleichsgröße ergibt sich für die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung die Feinstrukturkonstante:

<math> \alpha = \frac{e^2}{4 \pi \epsilon_0} \hbar c \cong \frac{1}{137} </math>

Nach diesem Schema ergeben sich für anderen fundamentalen Kräfte der Physik folgende Werte: Die Gravitation besitzt eine relative Stärke von <math> </math> die schwache Kernkraft von <math> 10^{-6} </math> und die starke Kernkraft eine Stärke von etwa 1.



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