20170529精细结构常数
精细结构常数，是物理学中一个重要的无量纲数，常用希腊字母α表示。精细结构常数表示电子运动速度和光速的比值，计算公式为 α=e/(4πε0cħ)（其中e是电子的电荷，ε0 是真空介电常数， ħ是约化普朗克常数，c 是真空中的光速）。 精细结构常数是一个数字,单位为1(或说是没有单位)1/α≈137.(03599976) (图为氢原子光谱,易见其中的明亮谱线)
中文名 精细结构常数
地 位 物理学中一个重要的无量纲数
提出时间 1664年
提出人 牛顿
概述
精细结构常数,是物理学中一个重要的无量纲数，常用希腊字母α表示。
电子-内部结构模型图
精细结构常数表示电子运动速度和光速的比值,计算公式为 α=(e^2)/(2ε0*h*c)(其中 e 是电子的电荷， ε0 是真空介电常数， h 是普朗克常数， c 是真空中的光速)
精细结构常数是一个数字,单位为1(或说是没有单位)
α^-1≈137(.03599976),α或=0.007297352533
(图为氢原子光谱,易见其中的明亮谱线)
发现精细结构常数
早在1664年，牛顿就发现一束细小的太阳光在通过三棱镜后会分解成像彩虹那用的连续光带。牛顿把这种彩色的光带叫做光谱。到19世纪初，英国物理学家威廉·渥拉斯顿(William Wollaston)发现，太阳光的连续光谱带其实并不是真正连续的，而是带有许许许多多的暗线条。以后德国物理学家约瑟夫·冯·福隆霍弗(Josheph von Fraunhoffer)进一步精确记录了数百条这种暗线的位置。1859年德国物理学家古斯塔夫·罗伯特·克基霍夫(Gustav R. Kirchhoff)又发现，把某些物质放在火焰中灼烧时，火焰会呈现特定的颜色。如果把这种色光也用三棱镜进行分解，就会发现它的光谱仅由几条特定的亮线条组成，而这些亮线条的位置与太阳光谱中暗线条的位置完全重合。克基霍夫据此断定，这些光谱线的位置是组成物质的原子的基本性质。基于这一原理，他在1861与德国化学家罗伯特·本生(RobertBunsen)合作，第一次对太阳大气的化学组成进行了系统化的研究。这些光谱中暗线和亮线，现在被称为原子吸收光谱和发射光谱。利用光谱知识来确定物质的化学组成的方法，也发展成了一门重要的学科——光谱分析学。
到19世纪下半叶，物理学家们精确地研究了各种元素的光谱，并积累了大量的光谱数据。1891年，麦克尔逊(Michelson)通过更精确的实验发现，原子光谱的每一条谱线，实际上是由两条或多条靠得很近的谱线组成的。这种细微的结构称为光谱线的精细结构。然而，当时的物理学理论无法解释光谱为什么是一条条分离的谱线，而不是连续的谱带，更不用说光谱的精细结构了。
第一个对氢原子光谱作出成功解释的，是尼尔斯·玻尔于1913年发表的氢原子模型。在这个模型中，玻尔大胆地假设，电子只在一些具有特定能量的轨道上绕核作圆周运动，这些特定的能量称为电子的能级。当电子从一个能级跳到另一个能级时，会吸收或发射与能级差相对应的光量子。玻尔从这两个假设出发，成功地解释了氢原子光谱线的分布规律。
在玻尔之后，阿诺德[fontcolor=#0000cc]·[/font]索末斐对他的氢原子模型作了几方面的改进。首先，索末斐认为原子核的质量并非无穷大，所以电子并不是绕固定不动的原子核转动，而应该是原子核和电子绕着他们的共同质心转动。其次，电子绕核运行的轨道与行星绕日运行的轨道相似，不必是一个正圆，也可以是椭圆。最后，因为核外电子的运动速度很快，有必要计及质量随速度变化的相对论效应。在经过这样改进之后，索末斐发现电子的轨道能级除了跟原来玻尔模型中的轨道主量子数n有关外，还跟另一个角量子数k有关。对于某个主量子数n，可以取n个不同的角量子数。这些具有相同主量子数但不同角量子数的轨道之间的能级有一个微小的差别。索末斐认为，正是这个微小的差别造成了原子光谱的精细结构。这一点，被随后对氦离子光谱的精确测定所证实。另外，考虑了电子与原子核的相对运动之后，轨道能级的数值也变成了与原子核的质量有关，这也解释了氢原子光谱与氘原子光谱之间的细微差别。
在索末斐模型中，不同角量子数的轨道之间的能级差正比于某个无量纲常数的平方。这个常数来源于电子的质量随速度变化的相对论效应。事实上，它就是基态轨道上电子的线速度与光速之比。根据玻尔模型，很容易推算出基态轨道上电子的速度为 v=e^2/ 2ε0h.它与光速之比，正是我们前面看到的精细结构常数的公式。因为它首先由索末斐在解释原子光谱的精细结构时出现，所以这个常数被称为（索末斐）精细结构常数。
意义
从表面看来，精细结构常数 α 只不过是另外一些物理常数的简单组合。然而，量子理论以后的发展表明，精细结构常数其实具有更为深刻的物理意义。无论是玻耳模型还是索末斐模型，它们都只是量子理论发展早期的一些半经典半量子的理论。它们虽然成功地解释了氢原子光谱及其精细结构，但是在处理稍为复杂一些的具有两个电子的氦原子时就遇到了严重的困难。以后薛定谔建立的量子波动力学对氢原子有了更好的描述。狄拉克又进一步把量子波动力学与相对论相结合起来，提出了电子的相对论性量子力学方程——狄拉克方程。狄拉克方程不但更好地解释了光谱的精细结构——认为它是电子的自旋磁矩与电子绕核运行形成的磁场耦合的结果，而且还成功地预言了正电子的存在。
而描述光与电磁相互作用最为完善的理论，是量子电动力学。量子电动力学认为，两个带电粒子（比如两个电子）是通过互相交换光子而相互作用的。这种交换可以有很多种不同的方式。最简单的，是其中一个电子发射出一个光子，另一个电子吸收这个光子。稍微复杂一点，一个电子发射出一个光子后，那光子又可以变成一对电子和正电子，这个正负电子对可以随后一起湮灭为光子，也可以由其中的那个正电子与原先的一个电子一起湮灭，使得结果看起来像是原先的电子运动到了新产生的那个电子的位置。更复杂的，产生出来的正负电子对还可以进一步发射光子，光子可以在变成正负电子对……而所有这些复杂的过程，最终表现为两个电子之间的相互作用。量子电动力学的计算表明，不同复杂程度的交换方式，对最终作用的贡献是不一样的。它们的贡献随着过程中光子的吸收或发射次数呈指数式下降，而这个指数的底，正好就是精细结构常数。或者说，在量子电动力学中，任何电磁现象都可以用精细结构常数的幂级数来表达。这样一来，精细结构常数就具有了全新的含义：它是电磁相互作用中电荷之间耦合强度的一种度量，或者说，它就是电磁相互作用的强度。
在量子电动力学之后，又发展出描述强相互作用（把质子、中子束缚在一起形成原子核的相互作用）的量子色动力学，和能描述弱相互作用（控制原子核衰变的相互作用）的弱电统一理论。与量子电动力学相似，这些理论都把相互作用看作是粒子之间相互交换某种粒子的结果。强相互作用是“色荷”之间交换“胶子”的结果，而弱相互作用是交换一种带电的叫“W+”、“W-”的，或不带电的叫“Z0”的东西的结果。自然，在这些理论中，也有着类似于精细结构常数的东西。强相互作用的“精细结构常数”比电磁精细结构常数大得多，因此“强相互作用”也比电磁相互作用大得多。