ثابت البناء الدقيق

ثابت البناء الدقيق في الفيزياء (fine-structure constant)‏ هو أحد الثوابت الرئيسية في الفيزياء حيث أنه ثابت ربط يعين شدة التآثر الضعيف أو التآثر الكهرومغناطيسي. ويرمز لثابت البناء الدقيق عادة α حيث أنها كمية مطلقة ليس لها وحدات. وقد أدخل العالم الألماني أرنولد سومرفيلد ثابت البناء الدقيق في الفيزياء الذرية عام 1916، وبواسطته أمكن تفسير طيف المواد حيث يلعب دورًا هامًا في حركة الإلكترون حول نواة الذرة.

تعريف

يعرف ثابت البناء الدقيق α بالمعادلة:

${\displaystyle \alpha ={\frac {e^{2}}{(4\pi \varepsilon _{0})\hbar c}}={\frac {e^{2}c\mu _{0}}{2h}}={\frac {k_{\mathrm {e} }e^{2}}{\hbar c}},}$

حيث:

• e الشحنة الأولية;
• ħ = h/2π ثابت بلانك المخفض ;
• c سرعة الضوء في الفراغ;
• ε₀ سماحية الفراغ الكهربائية ;
• µ₀ نفاذية الفراغ المغناطيسية ;
• k_e ثابت كولوم.

وطبقا لنظام وحدات سنتيمتر-جرام-ثانية cgs تعرف وحدة الشحنة الكهربية بثابت كولوم k_e وكذلك معامل السماحية الكهربائية 4πε₀ يكون كل منهما مساويا 1 وبذلك تكون عددا مطلقا (ليس له وحدات) .

وعلى ذلك نحصل على معادلة ثابت البناء الدقيق في صورته المختصرة:

${\displaystyle \alpha ={\frac {e^{2}}{\hbar c}}}$

وهو ثابت يكثر استخدامه في الفيزياء.

تاريخه

أدخل أرنولد سومرفيلد ثابت البناء الدقيق في معادلاته عام 1916 لتكملة نظريته عن حيود خطوط الطيف للذرات عن تقديرات نموذج بور لبناء الذرة الناتجة عن تأثيرات النظرية النسبية الخاصة لأينشتاين. وكان أول تفسير لهذا الثابت هو أنه النسبة بين سرعة الإلكترون في المدار الأول في نموذج بوهر إلى سرعة الضوء في الفراغ. ^[1]

وبالتالي فكان ثابت البناء الدقيق يعتبر النسبة بين الزخم الزاوي الأقصى التي تسمح به النظرية النسبية لمدار الإلكترون في الذرة وبين أقل زخم زاوي طبقًا لحسابات ميكانيكا الكم. ويظهر هذا الثابت طبيعيًا في تحليل سومرفيلد عند تعيين سعة انشقاق خطوط لايمان في طيف الهيدروجين.

كما توجد عدة تفسيرات أخرى، ولكنها جميعًا تعود على البناء الدقيق للذرات وتأثيره على الإلكترونات. ^[2]

مقداره

طبقًا لبيانات لجنة بيانات العلوم والتكنولوجيا الصادرة عام 2006، فقد سجلت قيمة الثابت α كالآتي: ^[3]

${\displaystyle \alpha ={\frac {e^{2}}{\hbar c\ 4\pi \varepsilon _{0}}}=7.297\,352\,5376(50)\times 10^{-3}={\frac {1}{137.035\,999\,679(94)}}.}$

أو بالتقريب:

${\displaystyle \alpha ={\frac {1}{137}}}$

وقد توصل العلماء إلى ثابت البنية الدقيقة من دراستهم لأطياف العناصر الكيميائية وعلى الأخص الهيدروجين (حيث أنه أبسط الذرات)، فعن طريق ثابت البنية الدقيقة يمكن حساب مقدار انفصال مستويات الطاقة في الذرة، وما ينتج منها من أشعة عندما يقفز الإلكترون من مستوى عالي في الذرة إلى مستوى منخفض. كذلك نجح العلماء في تفسير خطوط الطيف المختلفة التي يدل كل منها على عنصر كيميائي بعينه بالحساب النظري الذي يستخدم ميكانيكا الكم.

اقرأ أيضا

• ثابت بلانك
• نصف قطر بور
• خط هيدروجين
• ذرة الهيدروجين
• هيكل دقيق
• بنية فائقة الدقة
• طول موجة كومبتون
• نصف القطر التقليدي للإلكترون

المراجع

موسوعات ذات صلة :

• موسوعة الفيزياء
• موسوعة ميكانيكا الكم