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Physikalische Konstante
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Physikalische Konstanten oder Naturkonstanten sind physikalische Größen, die sich weder räumlich noch zeitlich verändern.
Man unterscheidet zwischen elementaren oder grundlegenden (siehe auch die SI-Basiseinheiten) und abgeleiteten Konstanten, wobei die Zuordnung oft einer gewissen Willkür unterliegt. Letztere lassen sich aus den elementaren Konstanten berechnen. Beispielsweise ist der Bohrsche Radius aus dem Planckschen Wirkungsquantum, der Lichtgeschwindigkeit, der Elementarladung, der Elektronenmasse und der Protonenmasse berechenbar. Dagegen ist es hierbei eine Frage der Definition, ob die Diracsche Konstante oder das plancksche Wirkungsquantum die elementare Naturkonstante darstellen.
Abgeleitete und besonders phänomenologische Konstanten, wie etwa die Dauer eines Jahres, der Standardatmosphärendruck oder die Erdbeschleunigung sind dem Menschen in seiner Umgebung nützlich, haben aber in der Regel keine darüber hinausgehende Bedeutung grundlegender Art.
Inhaltsverzeichnis |
Naturkonstanten-Tabelle
| Bezeichnung der Konstante | Symbol(e) | Wert |
|---|---|---|
| Elektromagnetismus | ||
| Coulomb-Konstante | k = 1/(4πε0) | (22 468 879 468 420 441 / 2 500 000) m F−1 |
| Curie-Konstante | stoffspezifischer Wert | |
| Dielektrizitätskonstante des Vakuums | ε0 = 1/(μ0c02) | 625 000 / (22 468 879 468 420 441 π) F m−1 |
| Elementarladung | e | 1,602 176 53 (14) · 10−19 C |
| Hall-Widerstand | RK = h/e2 | 25 812,807 Ω |
| Lichtgeschwindigkeit (Vakuum) | c0, c | 299 792 458 m s−1 (definiert) |
| Permeabilität des Vakuums | μ0 | 4π · 10−7 H m−1 (definiert) |
| Verdet-Konstante | abhängig von Wellenlänge | |
| Gravitation | ||
| Gravitationskonstante | G | 6,674 2 (10) · 10−11 · m3 / (kg · s2) |
| (Norm-)Erdbeschleunigung, (Norm-)Fallbeschleunigung | gn | 9,806 65 m s−2 (definiert) |
| Thermodynamik | ||
| Absoluter Nullpunkt | T0 | −273,15 °C = 0 K |
| Avogadro-Konstante | NA | 6,022 141 5 (10) · 1023 mol−1 |
| Boltzmann-Konstante | kB | 1,380 650 5 (24) · 10−23 J K−1 |
| 8,617 342 (15) · 10−5 eV K−1 | ||
| Loschmidt-Konstante | L, NL | 2,686 777 3 (47) · 1025 m−3 (bei: 273,15 K und 101,325 kPa) |
| Molvolumen eines idealen Gases, p = 1 bar, θ = 0 °C | 22,413 996 (39) dm3 mol−1 | |
| Standard-Atmosphärendruck | atm | 101,325 kPa (definiert) |
| Stefan-Boltzmann-Konstante | σ | 5,670 400 (40) · 10−8 W m−2 K−4 |
| Universelle Gaskonstante | R0 = NAkB | 8,314 472 (15) J K−1 mol−1 |
| Teilchenphysik | ||
| 1. (Erste) Strahlungskonstante | c1 | 3,741 771 38 (64) · 10−16 Wm2 |
| 2. (Zweite) Strahlungskonstante | c2 | 1,438 775 2 (25) · 10−2 mK |
| Bohrscher Radius | a0 = 4π ε0 ħ2 / (me e2) | 0,529 177 210 8 (18) · 10−10 m |
| Bohrsches Magneton | μB = e ħ / (2 me) | 9,274 009 49 (80) · 10−24 J T−1 |
| Elektron | ||
| * Gyromagnetisches Verhältnis des freien Elektrons | γe | 1,760 859 74 (15) · 1011 s−1 T−1 |
| * Klassischer Elektronenradius | re | 2,817 940 325 (28) · 10−15 m |
| * Landé-Faktor des freien Elektrons | ge | 2,002 319 304 371 8 (75) |
| * Magnetisches Moment | μe | −9,284 764 12 (80) · 10−24 JT−1</TR> |
| * Molekulargewicht | Me | 5,49 · 10−4 |
| * Ruhemasse | me | 9,109 382 6 (16) · 10−31 kg |
| * Spezifische Ladung | e/me | 1,758 820 12 (15) · 1011 C kg−1 |
| Feinstruktur-Konstante | α = μ0 e2 c0 / (2 h) | 7,297 352 568 (24) · 10−3 |
| α−1 | 137,035 999 11 (46) | |
| Neutron | ||
| * relative Atommasse | n | 1,008 664 915 60 (55) |
| * Ruhemasse | mn | 1,674 927 28 (29) · 10−27 kg |
| Nukleares Magneton, Kern-Magneton | μN = e ħ / (2 mp) | 5,050 786 6 (17) · 10−27 J T−1 |
| Plancksches Wirkungsquantum | h | 6,626 069 3 (11) · 10−34 J s |
| 4,135 667 27 (52) · 10−15 eV s | ||
| ħ = h/(2π) | 1,054 571 596 (82) · 10−34 J s | |
| Proton | ||
| * Gyromagnetisches Verhältnis | γp | 2,675 222 05 (23) · 108 s−1T−1 |
| * Magnetisches Moment | μp | 1,410 606 71 (12) · 10−26 JT−1 |
| * Magnetisches Moment in H2O | μ'p/μB | 1,520 993 132 (16) · 10−3 |
| * Resonanzfrequenz per Feld in H2O | γ'p/2π | 42,576 375 (13) MHzT−1 |
| * Ruhemasse | mp | 1,672 621 71 (29) · 10−27 kg |
| Rydberg-Energie | R∞ch | 13,605 141 384 3 (13) eV |
| Rydberg-Frequenz | R∞c | 3,289 841 960 360 · 1015 s−1 |
| Rydberg-Konstante | R∞ = e4 me / (8 ε02 h3 c) | 1,097 373 156 852 5 (73) · 107 m−1 |
| Verhältnis von Protonen- zu Elektronenmasse | mp/me | 1 836,152 672 61 (85) |
| Vermischtes | ||
| Atomare Masseneinheit | mu, amu, u (g · NA−1) | 1,660 538 86 (28) · 10−27 kg |
| Faraday-Konstante | F (e · NA) | 96 485,338 3 (83) C Mol−1 |
| (Gregorianisches) Jahr | a | 365,242 5 d (definiert) |
| Hartree-Energie | Eh | 4,359 748 2 (26) · 10−18 J |
| Magnetisches Flussquantum | Φ0 = h/(2e) | 2,067 833 72 (18) · 10−15 Wb |
Die Ziffern in Klammern hinter einem Zahlenwert bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes. (Beispiel: Die Angabe 6,672 42 (10) ist gleichbedeutend mit 6,672 42 ± 0,000 10.) Die Unsicherheit ist als einfache Standardabweichung gegeben.
Konstanz der Naturkonstanten
Ob die Naturkonstanten auch über astronomische Zeiträume hinweg wirklich konstant sind, ist Gegenstand aktueller Forschung. So schienen Messungen der Spektrallinien von Quasaren mit dem Keck-Teleskop auf Hawaii auf eine leichte Abnahme der Feinstrukurkonstante um etwa ein hunderstel Promille im Verlauf von zehn Milliarden Jahren hinzudeuten. Dieses Resultat war von Anfang an umstritten; zum einen wiesen Forscher auf die unsichere Fehlerabschätzung der Datenauswertung hin, zum anderen gibt es Daten aus der Oklo-Mine in Westafrika, wo vor etwa 2 Milliarden Jahren Uran so stark angehäuft war, dass eine natürliche Kettenreaktion stattfand. Nach diesen Daten hatte die Feinstrukturkonstante damals den selben Zahlenwert wie heute. Neuere Messungen der Spektrallinien von Quasaren mit dem Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile widersprechen den früheren Resultaten am Keck-Teleskop und weisen auf die Konstanz der Feinstrukturkonstante hin.
Inzwischen sind Präzisionsmessungen möglich, die stetige Schwankungen in der Größenordnung, wie sie die Beobachtungen mit dem Keck-Teleskop nahelegen, auch im Labor in kurzen Zeiträumen überprüfen können. Untersuchungen von Theodor Hänsch und seiner Arbeitsgruppe am MPI für Quantenoptik belegen die Konstanz der Feinstrukturkonstante mit einer Genauigkeit von 15 Nachkommastellen über einen Zeitraum von vier Jahren.
Dass sich die Konstanten tatsächlich durch immer genauere Messungen ändern, hat das Committee on Data for Science and Technology, kurz CODATA http://www.codata.org , in Dokumenten festgehalten. Das eng mit CODATA zusammenarbeitende National Institute of Standards and Technology (NIST) in den USA veröffentlicht bereits seit einiger Zeit online PDF-Dokumente mit aktuellen Werten der physikalischen Konstanten, darunter auch ältere Dokumente, mit denen sich z. B. alle Veränderungen der Konstanten im Zeitraum von 1986 bis 1998 erfassen lassen: http://physics.nist.gov/cuu/Constants/background.html
Siehe auch: Mathematische Konstanten, Physikalische Größe
Video
Alpha Centauri: Variieren Naturkonstanten?
Weblinks
- Die gesetzlichen Einheiten in Deutschland, Physikalisch-Technische Bundesanstalt
- Zusammenstellung vieler physikalischer Konstanten
- NIST-Datenbank für physikalische Konstanten (englisch)
- Die ewig Unveränderlichen FAZ-Artikel zu neuen Forschungsresultaten zur Konstanz der Naturkonstanten
- Sammlung physikalischer Konstanten der Particle Data Group, PDG (englisch)
Literatur
- Harald Fritsch: Das absolut Unveränderliche : die letzten Rätsel der Physik. Piper, München ; Zürich 2005, ISBN 978-3-492-04684-8.
- P.J.Mohr, B.N.Taylor: CODATA recommended values of the fundamental physical constants: 2002, Rev.Mod.Phys. vol.77 (2005),1-107
- maßstäbe 7 – Die Unveränderlichen- Magazin der PTB, Ausgabe Sept. 2006
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