원자 단위계

틀:위키데이터 속성 추적 원자 단위계(atomic units, au)는 원자 물리학, 전자기학, 양자전기역학 등에서 자주 쓰이는 단위로써 전자의 특성에 보다 집중하기 위한 단위계이다. 두 가지 다른 원자 단위가 있는데, 하나는 하트리 원자 단위(Hartree atomic units)이며 다른 하나는 리드베리 원자 단위인데, 둘은 질량과 전하에 대한 양을 다르게 선택하고 있다. au에서, 다음 네 가지 기본 물리상수들은 모두 1로 정의된다:

• 전자 질량
• 기본 전하
• 환산 플랑크 상수
• 쿨롱 상수

이것은 천문 단위(역시 'au'로 표기된다)와 혼동해서는 안된다.

기본 원자 단위

기본 원자 단위
단위	이름	기호	SI단위계에서의 값
질량	전자 정지 질량	$m_e$	9.109 3826(16)×10−31 kg
전하	기본 전하	$e$	1.602 176 53(14)×10−19 C
각운동량	환산 플랑크 상수	$\hslash =h/(2\pi )$	1.054 571 68(18)×10−34 J·s

유도 원자 단위

α는 미세구조상수, ε₀은 진공에서의 유전율, c는 광속, k_B는 볼츠만 상수이다.

Derived Atomic Units
단위	이름	기호	SI단위계에서의 값
길이	보어 반지름	$a_0=4\pi {ϵ}_0{\hslash }^2/(m_{\mathrm{e}}{e}^2)=\hslash /(m_{\mathrm{e}}c\alpha )$	5.291 772 108(18)×10−11 m
에너지	하트리 에너지	$E_{\mathrm{h}}=m_{\mathrm{e}}{e}^4/(4\pi {ϵ}_0\hslash {)}^2={\alpha }^2{m}_{\mathrm{e}}{c}^2$	2 Ry = 2 x 13.605 6923(12) eV = 4.359 744 17(75)×10−18 J
시간		$\hslash /E_{\mathrm{h}}$	2.418 884 326 505(16)×10−17 s
속도		$a_0{E}_{\mathrm{h}}/\hslash =\alpha c$	2.187 691 2633(73)×106 m·s−1
힘		$E_{\mathrm{h}}/a_0$	8.238 7225(14)×10−8 N
온도		$E_{\mathrm{h}}/k_{\mathrm{B}}$	3.157 7464(55)×105 K
압력		$E_{\mathrm{h}}/{a_0}^3$	2.942 1912(19)×1013 Pa
전기장		$E_{\mathrm{h}}/e$	5.142×1011 V·m−1

양자역학과 전자기학의 단순화

SI단위계에서의 단일 전자에 대한 비상대론적 슈뢰딩거 방정식은

$-\frac{{\hslash }^2}{2m_e}{\mathrm{\nabla }}^2\psi (𝐫,t)+V(𝐫)\psi (𝐫,t)=i\hslash \frac{\partial \psi }{\partial t}(𝐫,t)$

이다. 이것의 au에서의 동일한 표현은

$-\frac{1}{2}{\mathrm{\nabla }}^2\psi (𝐫,t)+V(𝐫)\psi (𝐫,t)=i\frac{\partial \psi }{\partial t}(𝐫,t)$

이 된다. 왜냐하면 여기서 플랑크 상수와 전자 질량을 각각 1로 놓기 때문이다. 이것의 에너지 단위를 리드베리(Ry)로 쓰려면 위의 식에 2를 곱하면 된다.

또한 수소원자에서의 쿨롱 퍼텐셜에 대한 해밀토니안은 SI단위계에서

$\hat{H}=-\frac{{\hslash }^2}{2m_e}{\mathrm{\nabla }}^2-\frac{1}{4\pi {ϵ}_0}\frac{e^2}{r}$

이지만, 원자 단위계에서는

$\hat{H}=-\frac{1}{2}{\mathrm{\nabla }}^2-\frac{1}{r}$

와 같이 간단하게 된다.

au에서의 맥스웰 방정식은 다음과 같다:

$\mathrm{\nabla }\cdot 𝐄=4\pi \rho$

$\mathrm{\nabla }\cdot 𝐁=0$

$\mathrm{\nabla }\times 𝐄=-\alpha \frac{\partial 𝐁}{\partial t}$

$\mathrm{\nabla }\times 𝐁=\alpha (\frac{\partial 𝐄}{\partial t}+4\pi 𝐉)$

같이 보기

• 플랑크 단위계
• 자연 단위계
• CGS 단위계

참고

• 틀:서적 인용

외부 링크

• CODATA Internationally recommended values of the Fundamental Physical Constants.