普朗克常數 -物理常數

普朗克常數

物理常數
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普朗克常數記為h,是一個物理常數,用以描述量子大小。在量子力學中佔有重要的角色,馬克斯·普朗克在1900年研究物體熱輻射的規律時發現,隻有假定電磁波的發射和吸收不是連續的,而是一份一份地進行的,計算的結果才能和試驗結果是相符。這樣的一份能量叫做能量子,每一份能量子等于v為輻射電磁波的頻率,h為一常量,叫為普朗克常數。在不確定性原理中 普朗克常數有重大地位,粒子位置的不確定性×粒子速度的不確定性×粒子質量≥普朗克常數

  • 中文名稱
    普朗克常數
  • 外文名稱
    Planck constant
  • 套用學科
    物理學
  • 適用領域範圍
    量子力學
  • 提出時間
    1900年
  • 提出者
    馬克斯·普朗克
  • 表達式
    h=6.62606896(33)×10^(-34) J·s
  • 重要地位
    不確定性原理

基本簡介

普朗克常數的值約為:h=6.6260693(11)×10^(-34) J·s

其中為能量單位為焦(J)。

普朗克常數

若以電子伏特(eV)·(s)為能量單位則為

h=4.13566743(35)×10^(-15) eV·s

普朗克常數的物理單位為能量乘上時間,也可視為動量乘上位移量:

{牛頓(N)·米(m)·秒(s)}為角動量單位

由于計算角動量時要常用到h/2π這個數,為避免反復寫 2π 這個數,因此引用另一個常用的量為約化普朗克常數(reduced Planck constant),有時稱為狄拉克常數(Dirac constant),紀念保羅·狄拉克:

h(這個h上有一條斜杠)=h/2π

約化普朗克常量(又稱合理化普朗克常量)是角動量的最小衡量單位。

其中 π 為圓周率常數 pai 念為 "h-bar" 。

普朗克常數用以描述量子化,微觀下的粒子,例如電子及光子,在一確定的物理性質下具有一連續範圍內的可能數值。例如,一束具有固定頻率 ν 的光,其能量 E 可為:

有時使用角頻率 ω=2πν :

許多物理量可以量子化。譬如角動量量子化。 J 為一個具有旋轉不變數的系統全部的角動量, Jz 為沿某特定方向上所測得的角動量。其值:

因此, 可稱為 "角動量量子"。

普朗克常數也使用于海森堡不確定原理。在位移測量上的不確定量(標準差) Δx ,和同方向在動量測量上的不確定量 Δp,有一定關系。還有其他組物理測量量依循這樣的關系,例如能量和時間。

理論提出

演講

普朗克演講的內容是關于物體熱輻射的規律,即關于一定溫度的物體發出的熱輻射在不同頻率上的能量分布規律。普朗克對于這一問題的研究已有 6 個年頭了,今天他將公布自己關于熱輻射規律的最新研究結果。普朗克首先報告了他在兩個月前發現的輻射定律,這一定律與最新的實驗結果精確符合(後來人們稱此定律為普朗克定律)。然後,普朗克指出,為了推導出這一定律,必須假設在光波的發射和吸收過程中,物體的能量變化是不連續的,或者說,物體通過分立的跳躍非連續地改變它們的能量,能量值隻能取某個最小能量元的整數倍。為此,普朗克還引入了一個新的自然常數 h = 6.626196×10^-34 J·s(即6.626196×10^(-27)erg·s,因為1erg=10^(-7)J)。這一假設後來被稱為能量量子化假設,其中最小能量元被稱為能量量子,而常數 h 被稱為普朗克常數

普朗克常數

于是,在一次普通的物理學會議上,在與會者們的不經意間,普朗克首次指出了熱輻射過程中能量變化的非連續性。今天我們知道,普朗克所提出的能量量子化假設是一個劃時代的發現,能量子的存在打破了一切自然過程都是連續的經典定論,第一次向人們揭示了自然的非連續本性。普朗克的發現使神秘的量子從此出現在人們的面前,它讓物理學家們既興奮,又煩惱,直到今天。

理解

物體通過分立的跳躍非連續地改變它們的能量,但是,怎麽會這樣呢?物體能量的變化怎麽會是非連續的呢?根據我們熟悉的經典理論,任何過程的能量變化都是連續的,而且光從光源中也是連續地、不間斷地發射出來的。

沒有人願意接受一個解釋不通的假設,尤其是嚴肅的科學家。因此,即使普朗克為了說明物體熱輻射的規律被迫假設能量量子的存在,但他內心卻無法容忍這樣一個近乎荒謬的假設。他需要理解它!就象人們理解牛頓力學那樣。于是,在能量量子化假設提出之後的十餘年裏,普朗克本人一直嘗試利用經典的連續概念來解釋輻射能量的不連續性,但最終歸于失敗。1931 年,普朗克在給好友伍德(Willias Wood)的信中真實地回顧了他發現量子的不情願歷程,他寫道,“簡單地說,我可以把這整個的步驟描述成一種孤註一擲的行動,因為我在天性上是平和的、反對可疑的冒險的,然而我已經和輻射與物質之間的平衡問題鬥爭了六年(從 1894 年開始)而沒有得到任何成功的結果。我明白,這個問題在物理學中是有根本重要性的,而且我也知道了描述正常譜(即黑體輻射譜)中的能量分布的公式,因此就必須不惜任何代價來找出它的一種理論詮釋,不管那代價有多高。”

1919 年,索末菲在他的《原子構造和光譜線》一書中最早將 1900 年 12 月 14 日稱為“量子理論的誕辰”,後來的科學史家們將這一天定為了量子的誕生日。

科學定律

普朗克曾經說過一句關于科學真理的真理,它可以敘述為“一個新的科學真理取得勝利並不是通過讓它的反對者們信服並看到真理的光明,而是通過這些反對者們最終死去,熟悉它的新一代成長起來。”這一斷言被稱為普朗克科學定律,並廣為流傳。

著作論文

《論熱力學的第二定律》1879年

《論維恩光譜方程的完善》1900年

《論正常光譜中的能量分布》1900年

《熱輻射講義》1906年

《關于正常光譜的能量分布定律的理論》1900年

新的觀點

物質世界能產生普朗克常數,這一定有所原因。有新的觀點認為帶電粒子做圓周運動時,隻要向心力是與到圓心的距離的三次方成反比,就能產生一個常數,這個常數乘以圓周運動頻率等于帶電粒子動能。如果電子受到這種向心力,那麽這個常數就是普朗克常數。通過對電荷群的研究證實電子是受到這種向心力的。    

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