Konstanta struktur halus

Templat:Teori medan kuantum Dalam fisika, konstanta struktur halus, biasanya dilambangkan dengan Templat:Math (huruf Yunani alpha), adalah sebuah konstanta fisika yang mencirikan kekuatan interaksi elektromagnetik antara partikel-partikel dasar bermuatan. Konstanta ini merupakan satuan nirdimensi yang terkait dengan muatan elementer Templat:Math, yang mencirikan kekuatan sambatan antara sebuah partikel dasar bermuatan dengan medan elektromagnetik, dengan rumus Templat:Math. Sebagai sebuah satuan nirdimensi, nilai numeriknya, kira-kira Templat:Sfrac, tidak bergantung pada sistem satuan yang digunakan.

Terdapat beberapa interpretasi fisika atas Templat:Math. Namanya diperoleh dari Arnold Sommerfeld, yang memperkenalkannya pada tahun 1916, ketika memperluas model atom Bohr. Templat:Math menentukan besar celah dalam struktur halus garis spektrum atom hidrogen, yang telah diukur secara tepat oleh Michelson dan Morley pada tahun 1887.

Definisi

Beberapa definisi Templat:Math dalam bentuk konstanta-konstanta fisika lainnya adalah sebagai berikut:

$\alpha =\frac{1}{4\pi {\epsilon }_0}\frac{e^2}{\hslash c}=\frac{{\mu }_0}{4\pi }\frac{e^{2}c}{\hslash }=\frac{k_{\text{e}}{e}^2}{\hslash c}=\frac{e^2}{2{\epsilon }_{0}ch}=\frac{c{\mu }_0}{2R_{\text{K}}}=\frac{e^2{Z}_0}{2h}=\frac{e^2{Z}_0}{4\pi \hslash }$

di mana:

• Templat:Math adalah muatan elementer (:= Templat:Val);
• Templat:Math adalah konstanta matematika pi;
• Templat:Math adalah konstanta Planck (:= Templat:Val);
• Templat:Math adalah konstanta Planck tereduksi (:= Templat:Val/2π);
• Templat:Math adalah laju cahaya dalam vakum (= Templat:Val);
• Templat:Math adalah konstanta listrik atau permitivitas dalam vakum (atau ruang bebas);
• Templat:Math adalah konstanta magnetik atau permeabilitas dalam vakum (atau ruang bebas);
• Templat:Math adalah konstanta Coulomb;
• Templat:Math adalah konstanta von Klitzing;
• Templat:Math adalah impedansi vakum atau impedansi dalam ruang hampa.

Ketika konstanta lainnya (Templat:Math, Templat:Math and Templat:Math) memiliki nilai yang terdefinisi, definisi di atas mencerminkan hubungan antara Templat:Math dengan permeabilitas ruang bebas Templat:Math, yang sama dengan Templat:Math. Dalam Redefinisi satuan pokok SI 2019, 4Templat:Pi × Templat:Val adalah nilai untuk Templat:Math berdasarkan pengukuran konstanta struktur halus yang lebih akurat.

Dalam satuan non-SI

Dalam satuan cgs elektrostatik, satuan muatan listrik, statcoulomb, didefinisikan agar konstanta Coulomb, Templat:Math, atau faktor permitivitas, Templat:Math, sama dengan 1 dan nirdimensi. Akibatnya ekspresi untuk konstanta struktur halus, sebagaimana yang ditemukan dalam pustaka fisika yang lebih tua, menjadi

$\alpha =\frac{e^2}{\hslash c}.$

Dalam satuan natural, biasanya digunakan dalam fisika berenergi tinggi, di mana Templat:Math, nilai konstanta struktur halus adalah

$\alpha =\frac{e^2}{4\pi }.$

Jadi, konstanta struktur halus merupakan besaran nirdimensi yang menentukan (atau ditentukan oleh) muatan elementer: Templat:Math dalam satuan muatan natural.

Dalam satuan atom Hartree (Templat:Math dan Templat:Math), konstanta struktur halus:$\alpha =\frac{1}{c}.$

Pengukuran

Nilai yang disarankan CODATA 2018 utuk Templat:Math adalah

Templat:Math

Nilai ini memiliki ketidakpastian baku relatif 0,15 bagian per miliar.

Nilai Templat:Math yang ini menghasilkan Templat:Math, 3,6 kali simpangan baku dari nilai definisi lamanya, tetapi dengan rata-ratanya hanya berbeda 0,54 bagian per miliar dari nilai lamanya.

Untuk mempermudah, nilai invers perkalian dari konstanta struktur halus terkadang ditetapkan juga. Nilai yang disarankan CODATA 2018 adalah

Templat:Math

Selain bisa diperkirakan nilai Templat:Math dari nilai konstanta-konstanta yang ada dalam definisinya, teori elektrodinamika kuantum (QED) memberikan cara mengukur Templat:Math secara langsung dengan menggunakan efek Hall kuantum atau momen magnetik anomal dari elektron. Metode lainnya diantaranya adalah efek AC Josephson dan pentalan foton dalam interferometri atom. Terdapat nilai yang disetujui untuk Templat:Math, sebagaimana diukur oleh metode-metode tersebut. Metode yang disarankan pada 2019 adalah pengukuran momen magnetik anomal elektron dan pentalan foton dalam interferometri atom. Teori QED memprediksi hubungan antara momen magnetik nirdimensi dari elektron dengan konstanta struktur halus Templat:Math (momen magnetik elektron juga disebut "[[faktor g Landé|faktor Templat:Math Landé]]" dan disimbolkan sebagai Templat:Math). Nilai paling presisi dari Templat:Math yang didapatkan melalui eksperimen adalah berdasarkan pengukuran Templat:Math dengan menggunakan sebuah radas "siklotron kuantum" satu elektron, beserta perhitungan melalui teori QED yang melibatkan diagram Feynman orde kesepuluh Templat:Val:

Templat:Math

Pengukuran Templat:Math ini memiliki ketidakpastian baku relatif Templat:Val. Nilai dan ketidakpastian ini kurang lebih sama dengan hasil eksperimen terbaru.

Sejarah

Memorial Sommerfeld di Universitas München

Berdasarkan pengukuran presisi dari spektrun atom hidrogen oleh Michelson dan Morley pada tahun 1887, Arnold Sommerfeld memperluas model Bohr untuk memasukkan orbit eliptis dan kebergantuan relativistik massa pada kecepatan. Dia memperkenalkan sebuah suku untuk konstanta struktur halus pada tahun 1916. Interpretasi fisika pertama dari konstanta struktur halus Templat:Math adalah sebagai perbandingan antara kecepatan elektron dalam orbit melingkar pertama dari atom Bohr relativistik dengan laju cahaya dalam vakum. Dengan kata lain, konstanta struktur halus merupakan hasil bagi momentum sudut minimum yang dimungkinkan oleh relativitas untuk orbit yang tertutup, dengan momentum sudut minimum yang dimungkinkan oleh mekanika kuantum. Konstanta ini muncul secara alamiah dalam analisis Sommerfeld, dan menentukan ukuran pemisahan atau struktur halus dari garis-garis spektrum hidrogenik. Konstanta ini tidak dipandang penting sampai diberikannya persamaan gelombang relativistik linear Paul Dirac pada tahun 1928, yang memberikan rumus struktur halus yang tepat.Templat:Rp

Dengan perkembangan elektrodinamika kuantum (QED), pentingnya α telah meluas dari sebuah fenomena spektroskopis menjadi sebuah konstanta sambatan umum untuk medan elektromagnetik, menentukan kuat interaksi antara elektron dan foton. Suku Templat:Math diukir di batu nisan salah satu pelopor QED, Julian Schwinger, mengacu pada perhitungan momen dipol magnetik anomalnya.

Lihat pula

• Konstanta listrik
• Konstanta Planck
• Laju cahaya
• Struktur hiperhalus

Pranala luar

• Stephen L. Adler, "Theories of the Fine Structure Constant α" FERMILAB-PUB-72/059-T
• "Introduction to the constants for nonexperts", diadaptasi dari Encyclopædia Britannica, edisi ke-15. Disebarkan oleh halaman web NIST.
• Nilai yang direkomendasikan CODATA untuk α, sejak tahun 2018.
• Kutipan-kutipan mengenai konstanta struktur halus

Templat:Fisika-stub