A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z

 

 

Fundamentalkonstanten

Normen und Einheiten

1. Die fundamentalen physikalischen Konstanten

Die fundamentalen physikalischen Konstanten sind die Lichtgeschwindigkeit c, die Elementarladung e, das Plancksche Wirkungsquantum h, die Elektronenmasse me, die Protonenmasse mp, die Permeabilität des Vakuums (magnetische Feldkonstante) m0, die Dielektrizitätskonstante des Vakuums (elektrische Feldkonstante) e0, die Newtonsche Gravitationskonstante G, die Avogadro-Konstante NA und die Boltzmann-Konstante kB. Diese Grössen haben - soweit man feststellen kann - die Eigenschaft, dass sie im ganzen Universum jeweils denselben Wert besitzen. Die Fundamentalkonstanten mit Ausnahme von G und kB nennt man oft fundamentale atomare Konstanten.

Während der letzten hundert Jahre haben die fundamentalen physikalischen Konstanten eine bedeutende Rolle dabei gespielt, unser Verständnis des Universums zu erweitern. Das gilt vor allem in Zusammenhang mit der Quantenelektrodynamik (QED) und mit der Deutung des Verhaltens von Systemen atomarer Grössenordnung.

 

Fundamentalkonstanten 1: Übersicht.

 

Fundamentale Grösse

Symbol

Lichtgeschwindigkeit im Vakuum

c

Elementarladung (des Protons)

e

Ruhemasse des Elektrons

me

Ruhemasse des Protons

mp

Plancksches Wirkungsquantum

h

Avogadro-Konstante

NA

Newtonsche Gravitationskonstante

G

Boltzmann-Konstante

kB

magnetische und elektrische Feldkonstante

m0, e0

 

Warum besitzen die Fundamentalkonstanten gerade die Werte, die sie haben?

Die Elementarladung, also das Quantum der elektrischen Ladung, wird gewöhnlich mit der Elektronenladung -e oder der Protonenladung +e assoziiert, ausserdem mit den Ladungen anderer atomarer Teilchen oder von Kernteilchen. Kleinere Ladungen wurden im Labor noch nicht beobachtet; dennoch schreibt man den Quarks, die nur innerhalb der Atomkerne existieren sollen, die Ladung e / 3 zu. Eine Ladung mit diesem Betrag wurde 1982 von R. Laughlin auch für kleine Aggregate von Quasiteilchen postuliert, die sich in einem Elektronengas bewegen. Hierbei sollte der gequantelte Hall-Widerstand in sehr kleinen Halbleitern bei tiefen Temperaturen in starken Magnetfeldern eine Rolle spielen. Auf die Existenz dieser Quasiteilchen deuteten erstmals im September 1997 Experimente von zwei Arbeitsgruppen hin, die das Schottky-Rauschen in derart kleinen Anordnungen untersuchten. Heute nimmt man aber an, dass Ladungen, die einen Bruchteil von e ausmachen, auf separaten Teilchen nicht vorliegen. Allerdings kann die Natur noch Überraschungen für uns bereithalten.

Man kann sich fragen, warum die Konstanten gerade die Werte haben, die sie aufweisen. Eine Antwort darauf besagt, dass das Leben auf der Erde, wie wir es kennen, nicht möglich wäre, wenn die Werte andere wären. Das nennt man das schwache anthropische Prinzip. Man kann aber auch hoffen, irgendwann die Werte einiger dimensionsloser Verhältnisse, beispielsweise mp / me, berechnen zu können.

 

Ableitung weiterer Konstanten

Wir können aus den oben genannten Grössen einige andere wichtige Fundamentalkonstanten ableiten. Zwei wichtige Beispiele sind die Feinstrukturkonstante a = m0ce2 / 2h und die Rydberg-Konstante R¥ = (m0c2 / 4p) · (2p2mee4 / h3c). Sie spielen vor allem in der Spektroskopie eine bedeutende Rolle. Die Konstante, die etwas über die Grösse von Atomen aussagt, ist der Bohrsche Radius a0 = a  / (4pR¥). Zudem kennen wir magnetische Grössen wie das Bohrsche Magneton mB und das Kernmagneton mN. Das sind hilfreiche Einheiten für magnetische Momente, weil sie den magnetischen Momenten von Elektron bzw. Proton entsprechen, die man nach einer einfachen Theorie erwartet. Man bezeichnet diese beiden letztgenannten Grössen aber mit me bzw. mp, weil man feststellte, dass me / mB und mp / mN von den oben angegebenen Werten abweichen. Sie sind 1,001 1...-mal bzw. 2,792 7...-mal grösser. Der g-Faktor des Elektrons, ge, beträgt gerade 2(me / mB). Die Grösse ae = (ge - 2) / 2, die die Anomalie des magnetischen Moments des Elektrons beschreibt, kann als Potenzreihe in a / 2p berechnet werden, die einige geringfügige Terme höherer Potenzen beinhaltet. Diese Grösse wurde im Rahmen der Quantenelektrodynamik (QED) mit Hilfe der Potenzreihe in a auf neun Dezimalstellen genau berechnet. Dabei wurden 826 Feynman-Diagramme ausgewertet.

 

2 Die Konstanten als natürliche Masseinheiten

Schon bald nach der Entdeckung der Fundamentalkonstanten erkannte man ihre Bedeutung als natürliche Masseinheiten. Wir können aus den Konstanten ohne weiteres Einheiten für Masse, Länge und Zeit ableiten. In Tabelle 2 sind die Einheiten angegeben, die auf den Grössen h / 2p, me, e und e0 basieren; e0 zählt dazu, obwohl es im cgs-System oft weggelassen wird, weil es hier den Zahlenwert eins hat.

 

Fundamentalkonstanten 2: Die natürlichen Einheiten von Länge, Masse, Zeit und elektrischer Stromstärke in dem System, das auf Kombinationen der Grundgrössen h / 2p, me, e0 und e beruht.

Grösse

Natürliche Einheit

Näherungswert in SI-Einheiten

Länge

4pe02 / mee2

5,292 × 10-11 m

Masse

me

9,109 × 10-31 kg

Zeit

(2 / p)e0h3 / mee4

2,418 × 10-17 s

elektrische Stromstärke

mee5 / (4p0)2h3

6,623 × 10-3 A

 

Ausserdem gibt es die Planckschen Einheiten, die man aus h, c und G bildet: die Plancksche Masse mP, die Plancksche Länge (oder Elementarlänge) lP und die Plancksche Zeit tP. Sie spielen die Rolle von lokalen Einheiten, wenn es um die kleinen Längen- und Zeitmassstäbe bei der Beschreibung des »Urknalls« im frühen Universum geht. Eine andere interessante dimensionslose Grösse ist in diesem Zusammenhang die Gravitations-Feinstrukturkonstante aG = 2pGmp2 / hc » 5 × 10-39.

Aus alldem wird deutlich, dass uns die Natur kein bestimmtes »natürliches« Masssystem anbietet. Es gibt sogar noch viel mehr Möglichkeiten, wenn man die gegebenen Ausdrücke mit a bzw. aG multipliziert oder durch sie dividiert. Diese Grössen sind besser für Systeme mikroskopischer Grössenordnungen geeignet als für makroskopische Systeme.

 

Fundamentalkonstanten 3: Die Planckschen Einheiten.

 

Einheit

Symbol

Formel

Näherungswert in SI-Einheiten

Plancksche Masse

mP

(hc / 2pG)1/2

2,177 × 10-8 kg

Plancksche Elementarlänge

lP

(Gh / 2pc3)1/2

1,616 × 10-35 m

Plancksche Zeit

tP

(Gh / 2pc5)1/2

5,391 × 10-44 s

Gravitations-Feinstrukturkonstante

aP

GmP22p / hc

» 5 × 10-39

 

3 Sind die Konstanten wirklich konstant?

Man sieht leicht darüber hinweg, dass wir uns inmitten eines Universums befinden und von ihm beeinflusst werden, ebenso wie alle unsere Uhren, Massstäbe, Waagen usw. Einige Physiker scheinen dies aber zu ignorieren, wenn sie von der Grossen Vereinheitlichung von Kernkräften, Gravitationskräften und elektromagnetischen Kräften sprechen und dabei eine Variation der fundamentalen Konstanten bei den extrem kleinen Zeiträumen während des Urknalls erwägen. Dazu müssten sie effektive »Massstäbe« und »Uhren« haben, um physikalische Grössen von grösserer Konstanz zu ermitteln, mit denen solche Variationen zu beschreiben wären. Ein derartiger grundlegenderer Satz invarianter Grössen könnte existieren, jedoch wurden noch keine solchen Grössen gefunden.

Vor allem in den dreissiger Jahren gab es aufgrund einiger Messungen Diskussionen darüber, ob die Lichtgeschwindigkeit sich im Laufe der Zeit ändert. Inzwischen ist man sicher, dass die scheinbar gemessenen Variationen auf Messfehlern beruhten, die grösser waren als ursprünglich angenommen. Das Vertrauen der heutigen Physiker in die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit c ist so gross, dass deren Zahlenwert zur Definition der Einheit Meter im SI-Einheitensystem herangezogen wurde. Das macht es fast (aber keineswegs ganz) unmöglich, irgendeine Variation von c mit der Zeit zu entdecken, denn wir würden unwissentlich unsere Längeneinheit anpassen und damit jede Veränderung der Lichtgeschwindigkeit kompensieren! Wieder sehen wir uns dem Problem gegenüber, einen »Massstab« zu finden, der stabiler ist als die Grösse, die wir untersuchen.

Es ist interessant, nach zeitlichen Variationen dimensionsloser Konstanten über kosmologische Zeiträume hinweg zu suchen. Sowohl a als auch mp / me sind dimensionslose Grössen, die gut untersucht wurden. Ihre Obergrenzen entsprechen derzeit einer Konstanz von besser als 1 % während der gesamten bisherigen Existenzdauer des Universums - vorausgesetzt, dass die zugrunde liegenden Annahmen zutreffen. Man muss aber beachten, dass einige Versuche, mit denen man mögliche zeitliche Variationen von G überprüfen will, eigentlich die Konstanz von aG testen; ausserdem wird dabei die Konstanz von c und h vorausgesetzt, die durch andere Messungen bestätigt wurde.

 

4 Das Problem der SI-Einheiten

Die Genauigkeit, die wir den Konstanten zuschreiben, erhöhte sich etwa alle 15 Jahre um eine Dezimalstelle. Solche Verbesserungen können nicht endlos weitergehen, denn es muss offensichtlich eine Grenze dafür geben, wie genau man physikalische Messungen durchführen kann. Derzeit sind wir noch weit von allen natürlichen Limits entfernt. Aber es gibt eine praktische Begrenzung, die darauf beruht, dass wir die Definitionen der SI-Einheiten nicht beliebig genau realisieren können. Nachdem die Messung der Lichtgeschwindigkeit c genauer als die Verkörperung des Meters wurde, ging c in die Definition des Meters ein. In den letzten 20 Jahren wurde die Genauigkeit der elektrischen Konstanten im selben Ausmass erhöht wie diejenige der elektrischen Einheiten. Die Unbestimmtheit in deren Verkörperung, in Verbindung mit unserer Kenntnis der Feinstrukturkonstanten, beherrscht die derzeitigen Bewertungen. Es ist möglich, dass elektrische Verkörperungen der Einheit Watt eine derart hohe Genauigkeit erreichen, dass sie einen Weg eröffnen, die Stabilität der Einheit Kilogramm zu überprüfen und eine neue Basis für sie zu schaffen, die nicht mehr auf dem Platinum-Iridium-Urkilogramm beruht, sondern auf fundamentalen Konstanten.

Setzen wir einen globalen Satz elektrischer Einheiten mit dem gleich, den das International Bureau of Weights und Measures (BIPM) ansetzt; nehmen wir ferner an, dass die derzeit gültigen Einheiten von Stromstärke, Widerstand und Spannung - also Ampere, Ohm und Volt - die Werte ABI85, WBI bzw. VBI haben. Dann beinhalten die Messungen der Fundamentalkonstanten auch diese Grössen und liefern Informationen sowohl über die Fundamentalkonstanten als auch über die Verkörperungen der SI-Einheiten. (Im folgenden geben die Indizes das Jahr an; so war WBI85 der im Jahre 1985 gültige Mittelwert einer Reihe von Standard-Widerständen am BIPM.) Ausserdem gilt ABI85 = VBI76 / WBI85, und nach dem Josephson-Effekt gilt für das Volt: VBI76 = [E / (2e / h)] V. Im Jahre1972 legte das Consultative Committee on Electricity (CCE) in der General Conference on Weights and Measures (CGPM) für E exakt den Wert 483 594 GHz / V fest.

Im Jahre 1990 ersetzte das CCE diesen Wert durch eine andere Grösse, nämlich die Josephson-Konstante KJ-90 = 483 597,9(1 ± 0,4 × 10-6) GHz / V. Die Einheit der Spannung wurde in allen Ländern entsprechend angepasst. Der international anerkannte Wert der Von-Klitzing-Konstanten RK, die mit dem Quanten-Hall-Effekt zusammenhängt, ist danach RK-90 = 25 812,807(1±0,2 × 10-6) W. Die Invarianz der Grösse KJ-90 ist die Basis für VBI90, die Verkörperung des BIPM für die Einheit Volt, und RK-90 ist die Basis für WBI90, die Verkörperung des BIPM für die Einheit Ohm. Das ist nicht zu verwechseln mit dem quantisierten Hall-Widerstand RH = h / e2 oder mit den Konstanten 2e / h in der Josephsonschen Spannungs-Frequenz-Relation.

 

5 Wie bestimmen wir die Werte der Fundamentalkonstanten?

Die Bestimmung der Werte der physikalischen Konstanten stellt eine wichtige Verknüpfung zwischen Theorie und Experiment dar. So können unsere Kenntnisse in den einzelnen Bereichen der Physik sehr wirksam überprüft und gegeneinander abgeglichen werden, weil verschiedene Kombinationen der Zahlenwerte der Konstanten aus Messungen unterschiedlicher physikalischer Phänomene stammen können. Spektakuläre neue Verfahren, die den betreffenden Wissenschaftlern oft den Nobelpreis einbrachten, ersetzten ältere und gaben der Physik neue Impulse. So wurde Millikans Messung der Elementarladung mit Hilfe der Öltröpfchen ersetzt durch indirekte Messungen, bei denen Kombinationen von Fundamentalkonstanten eine Rolle spielten. Die Lichtgeschwindigkeit ist keineswegs mehr Bestandteil der Bewertung und wurde sogar Basis der Definition der Längeneinheit Meter.

Normalerweise muss man Messungen von mehr Grössen einbeziehen, als Fundamentalkonstanten zu bestimmen sind. Dadurch ist man in der Lage, Diskrepanzen zu erkennen. Bei Messungen von G besteht derzeit ein besonderes Problem. Neuere Bestimmungen weichen viel stärker voneinander ab, als es den Fehlergrenzen entspricht. Die Folge waren neue Überlegungen und weitere Messungen. Bisher trat G in keiner messbaren Kombination mit irgendeiner anderen Fundamentalkonstante auf, die eine genauere Bestimmung erlaubte.

Anfangs waren die Werte, die von verschiedenen Forschern aus den verfügbaren Daten abgeleitet wurden, nicht konsistent. Die erste systematische Bewertung wurde 1929 von R.T. Birge durchgeführt. Die von ihm vorgeschlagenen Werte wurden international anerkannt. Er stellte in seinen Arbeiten einige interessante Unstimmigkeiten heraus, vor allem hinsichtlich der Messungen von Elementarladung und Rydberg-Konstante. Lange vor der Ära von Rechenmaschinen oder gar Computern musste Birge vergleichsweise simple Rechenverfahren - oft halbgraphische - anwenden, um die Daten auszuwerten. Heute können wir Computer zu Hilfe nehmen und kennen auch etliche sehr ausgeklügelte Verfahren, um einen einheitlichen, stimmigen Satz von Werten aus einer überbestimmten Datenmenge zu erhalten (Fundamentalkonstantenausgleich). Doch stets ist die Urteilskraft der Auswertenden entscheidend.

Zur Zeit befasst sich ein Komitee angesehener Wissenschaftler, die CODATA Task Group on Fundamental Constants, mit der Bewertung experimenteller Daten. Sobald man sich hier darüber einig ist, welche Messungen einzubeziehen sind und ob die ursprünglichen Bewertungen der Messunsicherheiten modifiziert werden müssen, ermittelt man mit statistischen Methoden einen sozusagen unparteiischen Satz von Werten und Abschätzungen der Unsicherheiten.

Die jüngste derartige Bewertung wurde 1986/87 vorgenommen und ersetzte diejenige von 1973. Die Werte von 1987 sollen angepasst werden, sobald man sicher ist, dass ausreichend neue Daten vorliegen. Momentan gibt es relativ wenige Messungen, die Einfluss auf die Werte haben, und seit 1987 wurden nur wenige Werte publiziert, die sich auf die wichtigsten Grössen beziehen. Als dieser Artikel geschrieben wurde (Ende 1997), schien es so, als seien die Werte von 1987 im Rahmen der jeweiligen Unsicherheiten im wesentlichen korrekt. Allerdings legen einige Präzedenzfälle in solchen Situationen es nahe, vorsichtig zu sein!

Man kann die experimentellen Daten in zwei Gruppen einteilen. In die erste fallen die sogenannten Hilfs- oder Stützkonstanten; zu ihnen gehören Grössen, die einige zehnmal genauer ermittelt wurden als die übrigen. So liefern Grössen wie mp / me oder die Rydberg-Konstante Kombinationen von e, me, mp und h, die so viel genauer bekannt sind als andere Messwerte, dass sie dazu dienen können, die Relationen zwischen Werten der verschiedenen Konstanten festzulegen. Daher konnte man die Anzahl der weniger genau bekannten Konstanten drastisch herabsetzen. Zu den 1986/87 evaluierten Stützkonstanten zählen die relativen oder reduzierten Atommassen (angegeben in der Form 1 + me / ma), die Molmasse Mp des Protons, ferner m0, R¥, der Myonen-g-Faktor gm sowie me / mp und mp / mB. Alle diese Grössen sind heute mit einer Genauigkeit von besser als 2 zu 108 bekannt (zur zweiten Gruppe der Grössen siehe Tabelle 4).

Man kann sich vorstellen, dass jede einzelne Kombination weniger genauer Konstanten die Werte in eine andere Richtung beeinflusst, wobei dieser Trend für die genauesten Messungen am grössten ist. Daher »ziehen« Messungen des redundanten Satzes e, h / e2 und 2e / h die Grössen e und h in unterschiedliche Richtungen.

 

6 Die weniger genauen Daten, die zur Festlegung beitrugen

In einer vorläufigen Bewertung sollte festgelegt werden, welche der vorliegenden Messungen auszuschliessen waren, weil sie von den übrigen zu stark abwichen, und welche Unsicherheiten zu erweitern oder einzuschränken waren. Das Zurückweisen vorliegender Daten ist stets riskant, vor allem da sich in der Vergangenheit schon gezeigt hatte, dass sich publizierte Werte um einen unrichtigen Wert gruppierten. Daher sind die 1987 vorgeschlagenen relativen Veränderungen der Werte von e, h und me um rund 1,5 Teile von 105 darauf zurückzuführen, dass zwei Messungen der Faraday-Konstanten, die im Jahre 1973 einbezogen worden waren, nun ausgeschlossen wurden. Die meisten Messungen kombinieren eine kleine statistisch ermittelte Komponente mit einer grösseren Unsicherheitskomponente, die in beträchtlichem Ausmass vom Gefühl des betreffenden Metrologen bestimmt wird.

Die experimentellen Grössen, die im Jahre 1986 in die Bewertung der Konstanten eingingen, sind in Tabelle 4 zusammengestellt. Jede von ihnen wird über die Stützkonstanten und die ausgewählten Unbekannten ausgedrückt: a, KW, KV, mm / mp und die Gitterparameter d220 des Siliciums.

 

Fundamentalkonstanten 4: Die Bestimmungen der in die Bewertung von 1986/87 schliesslich einbezogenen Grössen und die Ausdrücke in Abhängigkeit von den Stützkonstanten [ ] und den Unbekannten a, KW, KV, mm / mp und d220.

 

 Gemessene Grösse

1.

 Fünf Bestimmungen von KW, ermittelt aus berechenbaren Kapazitäts-Realisierungen; relative Genauigkeit 1,1 bis 3,6 zu 107
WBI85 = KWW

2.

 Sechs Stromwaagen-Messungen von KA = ABI85 / A = KV /  KW.
Dabei ist A
BI85 = VBI76 / WBI75; relative Genauigkeit 4,1 bis 6,1 zu106
ABI85 = KV KW-1A

3.

 Zwei Bestimmungen von KV aus Spannungswaagen-Messungen; relative Genauigkeit 2,4 × 10-6 bzw. 6 × 10-7
VBI76 = KV V

4.

 Eine Messung der Faraday-Konstanten durch Coulometrie; relative Genauigkeit 1,33 × 10-6
FBI85 = [MpcE / (4R¥mp / me))]   a2KV-2KW

5.

 Sechs Messungen des gyromagnetischen Verhältnisses  (low) des Protons in Wasser bei schwachem Feld; relative Genauigkeit zwschen 2,4 × 10-7 und 3,25 × 10-6
(low)
BI85 = [c(m¢p / mB)E / 4 R¥]   a-2KW-1

6.

 Vier Messungen des gyromagnetischen Verhältnisses (high) des Protons in Wasser bei starkem Feld; relative Genauigkeit zwischen 1 × 10-6 und 5,4 × 10-6
(high)BI85 = [c(m¢p / mB)E / 4 R¥]   a-2KV-2KW

7.

 Zwei Messungen des Gitterparameters d220(Si) reinen Siliciums durch Auszählen der Röntgen-Interferenz-Ringe; relative Genauigkeiten 1 × 10-7 und 2,3 × 10-6

8.

 Eine Messung der Molmasse Vm(Si) reinen Siliciums im Vakuum bei
22,5
oC, bestimmt aus Molgewicht und Dichte des Siliciums.
V
m(Si) = [Mpm0c2E2 / {321 / 2 (mp / me)R¥ }] × aKV-2 d3220

9.

 Sechs Messungen des Quanten-Hall-Effekt-Widerstands, ausgedrückt in Abhängigkeit von WBI85; relative Genauigkeit zwischen 1,2 × 10-7 und 2,2 × 10-7
(R
H)BI85 = [m0c / 2] × a-1KW-1

10.

 Zwei Messungen der Feinstruktur-Konstanten a aus ae(expt) und ae(theor); relative Genauigkeit 6,5 × 10-8 und 3,25 × 10-7

11.

 Zwei Messungen des magnetischen Moments des Myons, ausgedrückt in Abhängigkeit des Proton-Moments, mm / mp; relative Genauigkeit 3,6 × 10-7 bei den Messungen des Myon-Grundzustands der Hyperfeinaufspaltung nm(hfs) bzw. 6,5 × 10-8 bei einem Resonanz-Experiment

12.

 Eine Messung der Hyperfeinaufspaltung nm(hfs) des Myons, unter Berücksichtigung der theoretischen Unsicherheit in nm(hfs)
nm(hfs) = [16R¥c(mp / mB) / {3(1 + me / mm)3}]q × a2(mm / mp); q = 1,000 957 61(14)

 

7 Die in den Jahren 1986/87 evaluierten Werte

Tabelle 5 enthält eine Auswahl der im Fundamentalkonstantenausgleich von 1986/87 erzielten Werte. Derzeit geht man davon aus, dass noch vor dem Jahre 2000 ausreichend viele Daten vorliegen werden, um eine neue Bewertung durchzuführen. Ausserdem hofft man auf neue Realisierungen der Einheit Watt KW = KV × KA mit neuer relativer Unsicherheit <10-7. Dies hätte grössere Auswirkungen auf die Bewertung als die Messungen (2) bis (4) und (6) in Tabelle 4. Eine erste Bestimmung von KW nach der neuen Methode wurde beim Festsetzen des Wertes von KJ-90 berücksichtigt. Bei der nächsten Bewertung sollten die Unsicherheiten vieler Konstanten rund zehnmal kleiner als derzeit sein.

Für die Zukunft können wir erwarten, dass die Unsicherheiten der meisten Fundamentalkonstanten weiter sinken und dass einige von diesen eine immer grössere Rolle bei der Definition der SI-Einheiten spielen werden. Die heutigen Grössen charakterisieren die Physik des 20. Jahrhunderts, und man sollte sich darüber im klaren sein, dass die blosse Existenz vieler von ihnen vor 100 Jahren kaum erkannt wurde. Es kann gut sein, dass ein weitaus grundlegenderer Satz von Konstanten erarbeitet wird, wenn unser Verständnis der Physik im 21. Jahrhundert tiefer wird. Wichtig werden dabei vor allem Erkenntnisse aus der Quantenchromodynamik (QCD) und hinsichtlich der elektroschwachen Wechselwirkung sein - möglicherweise als Resultat einer erfolgreichen Grossen Vereinheitlichten Theorie. [Anmerkung: Manche Leser benötigen vermutlich die Werte der Fundamentalkonstanten in ihren zitierten Genauigkeiten. Dabei ist aber zu beachten, dass viele der ermittelten Grössen stark miteinander verknüpft sind. Das bedeutet: Wenn sich eine der Konstanten als fehlerhaft herausstellt, dann werden auch andere nur eine vergleichbare Genauigkeit aufweisen. Diese Korrelationen bedeuten auch, dass beispielsweise die Unsicherheit von mp / me viel geringer ist als die kombinierte Unsicherheit von mp und me. Zudem könnten u.a. Veränderungen von mp und me viel grösser sein als Veränderungen von mp / me. Daher wird davor gewarnt, die Unsicherheit von Kombinationen von Konstanten zu berechnen, die nicht in der Tabelle angegeben sind, ohne die volle Varianz anzusetzen, nämlich die Kovarianz-Unsicherheits-Matrix. Vorläufig müssen auch die von der Grösse G abhängigen Werte mit Vorsicht verwendet werden.]

 

Literaturhinweise

E. R. Cohen, K. M. Crowe, J. W. M. DuMond: Fundamental Constants of Physics.(New York: Interscience, 1957);
K. D. Froome, L. Essen: Velocity of light and radio waves. (London: Academic Press, 1969);
E. R. Cohen, B. N. Taylor: J. Phys. Chem. Ref. Data 17, 1795-1803 (1988);
B. W. Petley: Fundamental Constants and the frontier of Measurement. Update 1988 (Bristol: Adam Hilger, 1988) ISBN 0-85274-388-2;
J. Bordtfeldt, B. Kramer: Units and Fundamental Constants in Physics and Chemistry. Sub-volume b: Fundamental Constants in Physics and Chemistry. (Berlin:Springer-Verlag, 1992).

 

Fundamentalkonstanten 5: Einige im Jahre 1986 von CODATA empfohlenen Werte fundamentaler physikalischer Konstanten.

 

Grösse

Symbol

Wert

Einheiten

Lichtgeschwindigkeit im Vakuum

c

299 792 458 (exakt)

m s-1

magnetische Feldkonstante

m0

4p (exakt)

× 10-7 N A-2

elektrische Feldkonstante

e0

8,854 187 817...(exakt)

× 10-12 F m-1

Plancksches Wirkungsquantum

h

6,626 075 5(40)

× 10-34 J Hz-1

Elementarladung (des Protons)

e

1,602 177 33(49)

× 10-19 C

Avogadro-Konstante

NA

6,022 136 7(36)

× 1023 mol-1

Newtonsche Gravitationskonstante

G

6,672 59(85)

× 10-11 m3 kg-1 s-2

Boltzmann-Konstante

kB

1,380 658(12)

× 10-23 J K-1

Molare Gaskonstante

R

8,314 510(70)

J mol-1 K-1

Ruhemasse des Elektrons

me

9,109 389 7(54)

× 10-31 kg

Ruhemasse des Protons
als Vielfaches der Elektronen-Ruhemasse

mp
mp / me

1,672623(10)

1836,152 701(37)

× 10-27 kg

Feinstrukturkonstante
inverse Feinstrukturkonstante

a

a -1

7,29735308(33)

137,035 9895(6)

× 10-3

Rydberg-Konstante

R¥

10 973 731,534(13)

m-1

Bohrscher Radius

a0

0,529 177 249(24)

× 10-10 m

magnetisches Flussquantum

F0

2,067 834 61(61)

× 10-15 Wb

Stefan-Boltzmann-Konstante

s

5,670 51(19)

× 10-8 W m-2 K-4

magnetisches Moment des Elektrons

in Bohrschen Magnetonen

me
me / mB

928,477 01(31)

1,001 159 652 193(10)

× 10-26 J T-1

magnetisches Moment des Protons

in Kernmagnetonen

mp
mp / mN

1,410 607 61(47)

2,792 847 386(63)

 × 10-26 J T-1

gyromagnetisches Verhältnis des Protons
(sphärische Wasserprobe bei 25
oC)

42,576 375(13)

× 106 Hz T-1

Einige Grössen, die als »Einheiten" dienen:

 

 

 

atomare Masseneinheit

u

1,660 540 × 2(10)

× 10-27 kg

Elektronenvolt

eV

1,602 177 × 33(49)

× 10-19 J

Plancksche Masse

mP

2,176 71(14)

× 10-8 kg

Plancksche Elementarlänge

lP

1,616 05(10)

× 10-35 m

Plancksche Zeit

tP

5,390 56(34)

× 10-44 s

Josephsonsches Frequenz-Spannungs-Verhältnis

2e / h

4,835 976 7(14)

× 1014 Hz / V

Josephson-Konstante

KJ-90

483 597,9(1±0,4 × 10-6)

GHz / V

quantisierter Hall-Widerstand

RH

25 812,805 6(12)

W

Von-Klitzing-Konstante

RK-90

25812,807(1±0,2 × 10-6)

W

1) Ziffern in Klammern sind die abgeschätzten Standardabweichungen der letzten angegebenen Stelle.
Zum Beispiel ist 6,626 075 5(4) zu lesen als 6,626 075 5 ±0,000 000 4

 

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