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Eine physikalische Konstante oder Naturkonstante ist eine physikalische Größe, deren Größenwert sich weder räumlich noch zeitlich verändert.
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 im Vakuum, der Elementarladung, der Elektronenmasse und der Protonenmasse berechenbar.
Einige Naturwissenschaften fassen wichtige Konstanten zu Gruppen von Fundamentalkonstanten zusammen, z.B. die Astronomie und Geodäsie die genauen Referenzwerte von Erd- und Sonnenmasse, den Erdradius, die Astronomische Einheit oder die Gravitationskonstante. Im strengen Sinn fundamental ist allerdings nur die letztere.
Abgeleitete und besonders phänomenologische Konstanten, wie etwa die Dauer eines Jahres, der Standardatmosphärendruck oder die Erdbeschleunigung (die allerdings örtlich um 0,5% variiert) sind dem Menschen in seiner Umgebung nützlich, haben aber in der Regel keine darüber hinausgehende Bedeutung grundlegender Art.
Inhaltsverzeichnis |
| Bezeichnung der Konstante | Symbol(e) | Wert | Quelle |
|---|---|---|---|
| Elektromagnetismus | |||
| Coulomb-Konstante | k = 1/(4πε0) | (22 468 879 468 420 441 / 2 500 000) m F−1 | |
| Curie-Konstante | stoffspezifisch | ||
| Elektrische Feldkonstante | ε0 = 1/(μ0c02) | 625 000 / (22 468 879 468 420 441 π) F m−1 |
|
| Elementarladung | e | 1,602 176 487 (40) · 10−19 C | [1] |
| von-Klitzing-Konstante | RK = h/e2 | 25 812,807 557 (18) Ω | [2] |
| Lichtgeschwindigkeit im Vakuum | c0, c | 299 792 458 m s−1 (definiert) | [3] |
| Magnetische Feldkonstante | μ0 | 4π · 10−7 H m−1 (definiert) |
|
| Verdet-Konstante | stoffspezifisch, wellenlängenabhängig | ||
| Gravitation | |||
| Gravitationskonstante | G | 6,674 28 (67) · 10−11 · m3 / (kg · s2) | [4] |
| Einsteinkonstante | κ = 8πG/c4 | 2,07664 ·10−43 s2 / (kg · m) | |
| Thermodynamik | |||
| Absoluter Nullpunkt | T0 | 0 K (= −273,15 °C) (definiert) | |
| Avogadro-Konstante | NA, L | 6,022 141 79 (30) · 1023 mol−1 | [5] |
| Boltzmann-Konstante | kB | 1,380 650 4 (24) · 10−23 J K−1 | [6] |
| 8,617 343 (15) · 10−5 eV K−1 | [7] | ||
| Loschmidt-Konstante | NL, n0 (englisch) | 2,686 777 4 (47) · 1025 m−3 (bei: 273,15 K und 101,325 kPa) | [8] |
| Molvolumen eines idealen Gases, p = 1 bar, θ = 0 °C | 22,710 981 (40) dm3 mol−1 | [9] | |
| Standard-Atmosphärendruck | atm | 101,325 kPa (definiert) | |
| Stefan-Boltzmann-Konstante | σ = 2π5 k4 / 15 h3c2 | 5,670 400 (40) · 10−8 W m−2 K−4 | [10] |
| Universelle Gaskonstante | R0 = NAkB | 8,314 472 (15) J K−1 mol−1 | [11] |
| Teilchenphysik | |||
| 1. (Erste) Strahlungskonstante | c1 = 2π hc2 | 3,741 771 18 (19) · 10−16 Wm2 | [12] |
| 2. (Zweite) Strahlungskonstante | c2 = hc/k | 1,438 775 2 (25) · 10−2 mK | [13] |
| Bohrscher Radius | a0 = 4π ε0 ħ2 / (me e2) | 0,529 177 208 59 (36) · 10−10 m | [14] |
| Bohrsches Magneton | μB = e ħ / (2 me) | 9,274 009 15 (23) · 10−24 J T−1 | [15] |
| Plancksches Wirkungsquantum | h | 6,626 068 96 (33) · 10−34 J s | [16] |
| 4,135 667 33 (10) · 10−15 eV s | [17] | ||
| ħ = h/(2π) | 1,054 571 628 (53) · 10−34 J s | [18] | |
| Elektron | |||
| * Gyromagnetisches Verhältnis des freien Elektrons | γe | 1,760 859 770 (44) · 1011 s−1 T−1 | [19] |
| * Klassischer Elektronenradius | re | 2,817 940 289 4 (58) · 10−15 m | [20] |
| * Landé-Faktor des freien Elektrons | ge | −2,002 319 304 362 2 (15) | [21] |
| * Magnetisches Moment | μe | −9,284 763 77 (23) · 10−24 JT−1 | [22] |
| * Molare Masse | Me | 5,485 799 094 3 (23) · 10−7 kg mol−1 | [23] |
| * Ruhemasse | me | 9,109 382 15 (45) · 10−31 kg | [24] |
| * Spezifische Ladung | e/me | −1,758 820 150 (44) · 1011 C kg−1 | [25] |
| Feinstruktur-Konstante | α = μ0 e2 c0 / (2 h) | 7,297 352 537 6 (50) · 10−3 | [26] |
| α−1 | 137,035 999 679 (94) | [27] | |
| Neutron | |||
| * relative Atommasse | n | 1,008 664 915 97 (43) u | [28] |
| * Ruhemasse | mn | 1,674 927 211 (84) · 10−27 kg | [29] |
| Nukleares Magneton, Kern-Magneton | μN = e ħ / (2 mp) | 5,050 783 24 (13) · 10−27 J T−1 | [30] |
| Proton | |||
| * Gyromagnetisches Verhältnis | γp | 2,675 222 099 (70) · 108 s−1T−1 | [31] |
| * Magnetisches Moment | μp | 1,410 606 662 (37) · 10−26 JT−1 | [32] |
| * 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 | 1,672 621 637 (83) · 10−27 kg | [33] |
| Rydberg-Energie | R∞ch | 13,605 691 93 (34) eV | [34] |
| Rydberg-Frequenz | R∞c | 3,289 841 960 361 (22) · 1015 s−1 | [35] |
| Rydberg-Konstante | R∞ = e4 me / (8 ε02 h3 c) | 1,097 373 156 852 7 (73) · 107 m−1 | [36] |
| Verhältnis von Protonen- zu Elektronenmasse | mp/me | 1 836,152 672 47 (80) | [37] |
| Vermischtes | |||
| Atomare Masseneinheit | mu, amu, u (g · NA−1) | 1,660 538 782 (83) · 10−27 kg | [38] |
| Faraday-Konstante | F (e · NA) | 96 485,339 9 (24) C mol−1 | [39] |
| (Gregorianisches) Jahr | a | 365,242 5 d (definiert) | |
| Hartree-Energie | Eh | 4,359 743 94 (22) · 10−18 J | [40] |
| Magnetisches Flussquantum | Φ0 = h/(2e) | 2,067 833 667 (52) · 10−15 Wb | [41] |
Die Ziffern in Klammern hinter einem Zahlenwert bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes. (Beispiel: Die Angabe 6,674 28 (67) ist gleichbedeutend mit 6,674 28 ± 0,000 67.) Die Unsicherheit ist als einfache Standardabweichung gegeben.
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 Feinstrukturkonstante um etwa ein hundertstel 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.
Wie sich die Angaben der Naturkonstanten durch immer genauere Messungen ändern, hält das Committee on Data for Science and Technology, kurz CODATA, in Dokumenten fest. 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 Abschätzungen der Werte der physikalischen Konstanten, darunter auch ältere Dokumente, mit denen sich z. B. alle Veränderungen im Zeitraum von 1986 bis 2006 erfassen lassen.
Feinabstimmung der Naturkonstanten
