Hienorakennevakio

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun

Hienorakennevakio on dimensioton luonnonvakio, joka kuvaa sähkömagneettisen vuorovaikutuksen suuruutta. Sitä merkitään tavallisesti symbolilla \alpha. Sen suuruus ei riipu käytetyistä yksiköistä. Hienorakennevakion määrittelevä kaava sekä lukuarvo [1] on

 \alpha = \frac{e^2}{\hbar c \ 4 \pi \epsilon_0} = 7{,}297 352 5376(50) \cdot 10^{-3} = \frac{1}{137{,}035 999 679(94)} .

jossa e \, on alkeisvaraus, \hbar = h/(2 \pi) \, on redusoitu Planckin vakio, c \, on valon nopeus tyhjiössä ja  \epsilon_0 \, on tyhjiön permittiivisyys.


Kvanttielektrodynamiikassa (QED, joka on sähkömagneettisen vuorovaikutuksen kvanttikenttäteoria) hienorakennevakio on teorian (mitta-)kytkentävakio. Se kuvaa elektronien ja fotonien välisen kytkennän voimakkuutta. Tällaisessa mittakenttäteoriassa kuitenkin vuorovaikutuksen voimakkuus, ja siten myös kytkentävakion suuruus, muuttuvat vuorovaikutuksen energiaskaalan mukaan (nk. renormalisaatioryhmän virtaus). QED:ssa \alpha kasvaa logaritmisesti energian suhteen, kun vuorovaikutuksen energia kasvaa. Edellä esitetty havaittu hienorakennevakion lukuarvo kuvaa kytkentävakion suuruutta energialla, joka vastaa elektronin massan suuruutta. Hienorakennevakion liukuvuus täytyy ottaa huomioon esimerkiksi tutkittaessa suurella energialla tapahtuvia hiukkasreaktioita hiukkaskiihdyttimillä tehdyissä kokeissa.

Historia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Sommerfeld vuonna 1897.

Alun perin hienorakennevakion otti käyttöön Arnold Sommerfeld selittäessään Bohrin atomimallin ennusteen eroavaisuutta havaittujen vetyatomin spektriviivojen kanssa.[2] Bohrin atomimalli selitti onnistuneesti vedyn spektriviivojen pääpiirteet, mutta lähemmin tarkasteltaessa huomattiin, että spektriviivat jakautuivat edelleen muodostaen hienorakenteen. Sommerfeld selitti tämän rakenteen muuttamalla Bohrin ympyräradat elliptisiksi sekä ottamalla huomioon ratojen elektroneille relativistiset korjaukset.

Ensimmäinen fysikaalinen selitys hienorakennevakiolle oli, että se oli relativistisessa Bohrin atomimallissa ensimmäisen kehän elektronin nopeuden sekä valonnopeuden suhde. Tai ekvivalentisti, maksimaalisen impulssimomentin, jonka suhteellisuusteoria sallii suljetulle radalle, sekä pienimmän impulssimomentin, jonka kvanttimekaniikka sille sallii, suhde. Hienorakennevakio ilmaantui Sommerfeldin analyysiin luonnollisesti, jossa se määritti vedyn spektriviivojen hienorakenteen suuruuden. Tästä juontuu myös vakion nimi.

Rinnakkaiset määritelmät[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Hienorakennevakio voidaan määritellä myös

\alpha = \frac{k_c e^2}{\hbar c} = \frac{e^2}{2 \epsilon_0 h c}

jossa k_c \, on Coulombin vakio, e \, on alkeisvaraus, \hbar = h/(2 \pi) \, on redusoitu Planckin vakio, c \, on valon nopeus tyhjiössä sekä \epsilon_0 \, on tyhjiön permittiivisyys.

Sähköstaattisissa yksiköissä ilmaistuna sähkövarauksen yksikkö on määritelty siten, että permittiivisyyskerroin  4 \pi \epsilon_0 \, on dimensioton vakio ja arvoltaan yksi. Tällöin hienorakennevakion kaava saa muodon

\alpha = \frac{e^2}{\hbar c} .

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. http://physics.nist.gov/cuu/Constants/index.html 2006
  2. A. Sommerfeld: On the quantum theory of spectral lines. Ann. d. Phys., 1916, nro 51,1, s. 125.