Konstanta struktur halus

Dalam fisika, konstanta struktur halus, biasanya dilambangkan dengan  (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 , yang mencirikan kekuatan sambatan antara sebuah partikel dasar bermuatan dengan medan elektromagnetik, dengan rumus . Sebagai sebuah satuan nirdimensi, nilai numeriknya, kira-kira , tidak bergantung pada sistem satuan yang digunakan.

Terdapat beberapa interpretasi fisika atas . Namanya diperoleh dari Arnold Sommerfeld, yang memperkenalkannya pada tahun 1916, ketika memperluas model atom Bohr.  menentukan besar celah dalam struktur halus garis spektrum atom hidrogen, yang telah diukur secara tepat oleh Michelson dan Morley pada tahun 1887. sebanding dengan kuadrat konstanta sambatan bagi sebuah partikel bermuatan ke medan elektromagnetik. Terdapat konstanta serupa yang menjadi parameter bagi kekuatan interaksi gaya nuklir kuat, yang dikenal sebagai s (≈1), dan gaya nuklir lemah, yang dikenal sebagai w (≈ hingga ). 

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

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

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

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

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

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

Dalam satuan atom Hartree ( dan ), konstanta struktur halus:

Pengukuran
Nilai yang disarankan CODATA 2018 utuk  adalah

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

Nilai  yang ini menghasilkan , 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

Selain bisa diperkirakan nilai  dari nilai konstanta-konstanta yang ada dalam definisinya, teori elektrodinamika kuantum (QED) memberikan cara mengukur  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 , 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  (momen magnetik elektron juga disebut "faktor  Landé" dan disimbolkan sebagai ). Nilai paling presisi dari  yang didapatkan melalui eksperimen adalah berdasarkan pengukuran  dengan menggunakan sebuah radas "siklotron kuantum" satu elektron, beserta perhitungan melalui teori QED yang melibatkan diagram Feynman orde kesepuluh :

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

Sejarah
Berdasarkan pengukuran presisi dari spektrun atom hidrogen oleh Michelson dan Morley pada tahun 1887, Reprinted in:   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.  From p.91:  "Wir fügen den Bohrschen Gleichungen (46) und (47) die charakteristische Konstante unserer Feinstrukturen (49) α = 2πe2/ch hinzu, die zugleich mit der Kenntnis des Wasserstoffdubletts oder des Heliumtripletts in §10 oder irgend einer analogen Struktur bekannt ist." (We add the characteristic constant of our fine structures (49) α = 2πe2/ch to Bohr's equations (46) and (47), which is recognized at the same time from knowledge of the hydrogen doublet or the helium triplet in §10 or any analogous structure.) Interpretasi fisika pertama dari konstanta struktur halus  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.

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  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

Referensi

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

Kategori:Bilangan tak berdimensi
Kategori:Elektromagnetisme
Kategori:Konsep fisika
Kategori:Konstanta fisika