Atomare Einheiten

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Die atomaren Einheiten (englisch: atomic units, au) bilden ein natürliches Einheitensystem, das hauptsächlich in der Atom- und Molekülphysik und der Theoretischen Chemie benutzt wird. Die atomaren Einheiten gehen von den Eigenschaften des Elektrons im Wasserstoffatom aus.

Die atomaren Einheiten sind:[1][2]

Ebenfalls gebräuchlich:

  • Zeit: die atomic time unit $ a.t.u. = \frac{\hbar}{E_\text{h}}. $

Der Gebrauch von atomaren Einheiten vereinfacht die Schrödingergleichung. Zum Beispiel ergibt sich der Hamilton-Operator für ein Elektron im Wasserstoffatom zu:

  • in SI-Einheiten:
$ \hat H = - \frac{\hbar^2}{2 m_{\mathrm{e}}} \nabla^2 - \frac{1}{4 \pi \varepsilon_0} \frac{e^2}{r} $
  • in atomaren Einheiten:
$ \hat H = - \frac{\nabla^2}{2} - \frac{1}{r} $

In atomaren Einheiten ist $ e=m_e=\hbar= \frac{1}{4 \pi \varepsilon_0} = 1 $. Die Vakuumlichtgeschwindigkeit hat den Wert $ 1/\alpha\approx 137\,\mathrm{a.u.} $, wobei $ \alpha $ die Feinstrukturkonstante ist. Mit CODATA 2014 wurden die SI-Einheiten für genau diese Grundeinheiten sowie für weitere 18 abgeleitete atomare Einheiten festgelegt.

Werte in atomaren Einheiten sind formal dimensionslos, Größen, die in SI-Einheiten nicht dimensionslos sind, werden aber üblicherweise durch das formale „Einheitenzeichen“ a.u. gekennzeichnet (die Punkte sind Teil des Einheitenzeichens). Beispielsweise ist eine Masse von 2 a.u. das doppelte der Elektronenmasse, während eine elektrische Feldstärke von $ 1\,\mathrm{a.u.} = \frac{\hbar^2}{m \cdot e \cdot a_0^3} $ die Feldstärke ist, die in einem Abstand von einem bohrschen Radius von einer Elementarladung herrscht.

Atomare Einheiten für magnetische Größen

Nicht eindeutig definiert sind atomare Einheiten für Größen des Magnetfeldes wie die magnetische Flussdichte $ B $. Entweder gilt für eine elektromagnetischen Welle im Vakuum wie in SI-Einheiten $ B=E/c_0 $ oder wie in gaußschen Einheiten $ B=E $. Dabei bezeichnet $ E $ die elektrische Feldstärke und $ c_0 $ die Vakuumlichtgeschwindigkeit. Diese unterschiedlichen Festlegungen haben Auswirkungen auf alle Größen, die sich von der magnetischen Flussdichte ableiten. So entspricht etwa das Bohrsche Magneton nur in SI-basierten atomaren Einheiten $ 1/2\,\mathrm{a.u.} $. Verschiedene konstante Vorfaktoren ergeben sich beim Berechnen der Intensität einer elektromagnetischen Welle aus der elektrischen Feldstärke.

Mit CODATA 2014 wurden insbesondere auch die SI-Einheiten für die atomaren Einheiten der magnetischen Flussdichte $ B_{au}=\hbar / (a_0^2e) $, der elektrischen Feldstärke $ \vec E_{au}=E_h/(a_0e) $, der Geschwindigkeit $ v_{au}=c_0 \alpha $, und darauf aufbauend des Bohrschen Magnetons etc festgelegt.

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. Douglas Rayner Hartree: The calculation of atomic structures. Wiley, New York, NY 1957 (IX, 181 S., Das Kapitel ATOMIC UNITS ist auf S. 5 ff. zu finden).
  2. Eintrag zu atomic units. In: IUPAC Compendium of Chemical Terminology (the “Gold Book”). doi:10.1351/goldbook.A00504 Version: 2.1.6.

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