原子单位制
基本单位
这六个量并不相互独立,要使得它们的数值全部变为1,只需要令其中任意四个量变为1即可。例如,可以将除了哈特里能量与库仑常数之外的四个量归一化,那么这两个量也会自然地被归一化。
部分导出单位
与普朗克单位制的对比
普朗克单位制与原子单位制都是从物理世界的基本属性出发而产生的,都不具有“人类中心”的特点。上面的两个表格很好地展示了国际单位制、普朗克单位制与原子单位制在数量级上的差异。总的来说,当原子单位在SI单位制下显得很“大”时,相应的普朗克单位会显得很“小”,反之亦然。应该记住的是,原子单位是针对当今宇宙的原子尺度的计算而设计的,而普朗克单位制则适合处理量子引力与研究早期宇宙的物理宇宙学的问题。
原子单位制与普朗克单位制都将约化普朗克常数与真空电容率归一化了。除此之外,普朗克单位制还对与广义相对论和宇宙学密切相关的两个常数进行了归一化:万有引力常数 G 与真空光速 c 。用α表示精细结构常数,则在原子单位制下, c 的值为α ≈ 137.036。
相比之下, 原子单位制 则将电子的质量与电荷归一化,同样被归一化的还有氢原子的玻尔半径 a 0 。这时,里德伯常量 R ∞ 的值就会变为4π/α = 4π c 。在原子单位制下,玻尔磁子μ B =1/2,而在普朗克单位制下相应的值为 e /2 m e 。最后,原子单位制将原子能量单位归一化,而普朗克单位制则选择将联系能量与温度的玻尔兹曼常量 k 归一化。
简化后的量子力学与量子电动力学方程
在SI单位制下,(非相对论)薛定谔方程的形式为:
而在原子单位制下的形式则为:
SI单位制下,氢原子薛定谔方程的哈密顿算符为:
原子单位制下,则为:
最后,在原子单位制下,麦克斯韦方程组具有如下的优美的形式:
(磁场的原子单位的定义有多种方法。上面的麦克斯韦方程组采用了“高斯规范”,这使得平面波的电场与磁场在原子单位制下有着相同的数值,而在“洛仑兹力规范“下,因子 α 被吸收到磁感应强度 B 中。)
参见
普朗克单位制
自然单位制
高斯单位制
参考文献
H. Shull and G. G. Hall, Atomic Units, Nature, volume 184, no. 4698, page 1559 (Nov. 14, 1959)
G. Drake (ed.), Springer Handbook of Atomic, Molecular, and Optical Physics. Springer, 2nd ed., 2006
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