Постоянная Планка

редактировать
Физическая константа, представляющая квант действия
Значение hЕдиницыRef.
6,62607015 × 10Js
4,135667696 × 10eVs
Значения ħ (h-бар)ЕдиницыИсх.
1,054571817 × 10Js
6,582119569 × 10eVs
Значения hcЕдиницыСправ.
1,98644586 × 10Jm
1,23984193eVμm
Значения ħc (h-bar)ЕдиницыИсх.
3,16152649 × 10Jm
0,1973269804eVμm
Мемориальная доска в Берлинском университете имени Гумбольдта : «В доме учил Макса Планка, открывшего элементарный квант действия h {\ displaystyle h}час , с 1889 по 1928 гг. "

постоянная Планка, или постоянная Планка, является квантом из электромагнитное действие, которое связывает энергию Постоянная Планка, умноженная на частоту фотона, равна энергии фотона. Постоянная Планка - это фундаментальная физическая постоянная, обозначаемая как h {\ displaystyle h}час , имеющая фундаментальное значение в квантовой механике. В метрологии он используется для определения килограмма в единицах СИ.

Постоянная Планка определяется как имеющая точное значение h = {\ displaystyle h =}h = 6,62607015 × 10 Дж⋅с в единицах СИ.

В конце 19-го века точные измерения формата <В 1900 году Планк эмпирически вывел формулу для наблюдений. аемого Он предположил, что гипотетический электрически заряженный осциллятор в полости, может усилить энергию только с минимальным приращением, E {\ displaystyle E}E , которая была пропорциональна частот структуры с ней электромагнитной волны. Он смог вычислить константу измерений, h {\ displaystyle h}час на основе экспериментальных измерений, и эта константа названа в его честь. В 1905 году значение E {\ displaystyle E}E было связано Альбертом Эйнштейном с «квантом» или минимальным элементом энергии самой электромагнитной волны. Световой квант в некоторых отношениях вел себя как электрически нейтральная частица. В итоге его назвали фотоном. Макс Планк получил в 1918 г. Нобелевскую премию по физике «в знак признания заслуг, который оказал развитие физики своим открытием квантов энергии».

Путаница может сбой при работе с выбором или постоянной Планка, поскольку единицы измерения угла (цикл или радиан) опущены в системе СИ. На языке количественное исчисление выражение для значения постоянной числовой частоты или частоты произведено числовым значением и единицы измерения. Символ f (или ν), когда он используется для значений частоты, означает количество циклов в секунду или герц в качестве единицы. Когда символ ω используется для значений частоты, он подразумевает радиан в секунду как единицу измерения. Числовые значения этих двух способов выражения частоты имеют отношение , равное 2π. Отсутствие измерения угла «цикл» и «радиан» может привести к ошибке 2π. Аналогичное положение дел происходит и с постоянной Планка. Символ h используется для выражения значения постоянной Планка в Джс / цикл, а символ ħ («h-bar») используется для его выражения значения в Джс / радиан. Оба значения постоянной Планка, но, как обсуждается ниже, их численные значения имеют отношение 2π. В этой статье Википедии слово «значение», используемое в таблицах, означает «числовое значение», уравнения, включающие постоянную Планка и / или частоту, фактически включают их числовые значения с использованием соответствующих подразумеваемых единиц.

энергия и масса эквивалентны, постоянная Планка также связывает массу с размером.

Содержание

  • 1 Происхождение константы
  • 2 Разработка и применение
    • 2.1 Фотоэлектрический эффект
    • 2.2 Структура атома
    • 2.3 Принцип неопределенности
  • 3 Энергия фотона
  • 4 Значение
    • 4.1 Понимание «фиксация» значения h
  • 5 Значимость
  • 6
    • 6.1 Постоянная Джозефсона
    • 6.2 Весы Киббла
    • 6.3 Магнитный резонанс
    • 6.4 Постоянная Фарадея
    • 6.5 Плотность рентгеновских кристаллов
    • 6.6 Ускоритель частиц
  • 7 См. Также
  • 8 Примечания
  • 9 Ссылки
    • 9.1 Цитаты
    • 9.2 Источники
  • 10 Внешние ссылки
    • 10.1 Видео

Происхождение константы

Интенсивность света, излучаемого черным телом. Каждая кривая представляет поведение при разной температуре тела. Макс Планк был первым, кто объяснил форму этих кривых.

Постоянно прогнозируемое спектральное распределение теплового излучения от закрытой печи (излучение черного тела ).

Планка была сформулирована как часть успешных усилий Макса. Это выражение теперь известно как закон Планка.

В последние годы 19 века Макс Планк исследовал проблему излучения черного тела, впервые поставленную Кирхгофом Лет на 40 раньше. Каждое физическое тело спонтанно и непрерывно испускает электромагнитное излучение. Не было выражения или объяснения общей формы наблюдаемого качества. В то время закон Вина соответствовал данным для коротких волн и высоких температур, но не работал для длинных волн. Примерно в это же время, но неизвестный Планку, лорд Рэлей теоретически вывел формулу, теперь известную как закон Рэлея-Джинса, которая могла бы разумно предсказывать длинные волны, но резко потерпела неудачу в коротких. длина волн.

Подходя к этой, Планк предположил, проблема что уравнения движения света описывают набор гармонических осцилляторов, по одному для каждой возможной частоты. Он исследовал, как энтропия осцилляторов изменяется в зависимости от температуры тела, пытаясь соответствовать Вина, и смог вывести приближенную математическую функцию для черного тела, которая дала простую эмпирическую формулу для длинных волн.

Планк пытается найти математическое выражение, которое воспроизводило бы закон Вина (для коротких волн) и эмпирическую формулу (для длинных волн). Это выражение включало константу h {\ displaystyle h}час , которая стала известна как постоянная Планка. Выражение, сформулированное Планком, показало, что спектральная яркость тела для частоты ν при абсолютной температуре T определяется как

B ν (ν, T) = 2 h ν 3 с 2 1 да ν К BT - 1 {\ Displaystyle B _ {\ nu} (\ nu, T) = {\ frac {2h \ nu ^ {3}} {c ^ {2}}} {\ frac {1} {e ^ {\ frac {h \ nu} {k _ {\ mathrm {B}} T}} - 1}}}{\ displaystyle B _ {\ nu} (\ nu, T) = {\ frac {2h \ nu ^ {3}} {с ^ {2}}} {\ frac {1} {e ^ {\ frac {h \ nu} {k _ {\ mathrm {B}} T}} - 1}}}

где k B {\ displaystyle k_ {B}}{\ displaystyle k_ {B}} - постоянная Больцмана, h {\ displaystyle h}час - постоянная Планка, а c {\ displaystyle c}c - скорость света в среде, будь то материал или вакуум.

спектральная яркость тела, B ν {\ displaystyle B _ {\ nu}}{\ displaystyle B _ {\ nu}} , это количество энергии, которое он излучает на разных частотах излучения. Это мощность, излучаемая на единицу площади тела на единицу телесного угла на единицу частоты. Спектральная яркость также может быть выражена на единицу длины волны λ {\ displaystyle \ lambda}\ lambda вместо единицы частоты. В данном случае это определяется как

B λ (λ, T) = 2 hc 2 λ 5 1 ehc λ k BT - 1, {\ displaystyle B _ {\ lambda} (\ lambda, T) = {\ frac { 2hc ^ {2}} {\ lambda ^ {5}}} {\ frac {1} {e ^ {\ frac {hc} {\ lambda k _ {\ mathrm {B}} T}} - 1}}, }{\ displaystyle B _ {\ lambda} (\ lambda, T) = {\ frac {2hc ^ {2}} {\ lambda ^ {5}}} {\ frac {1} {e ^ {\ frac {hc} {\ lambda k _ {\ mathrm {B}} T}} - 1}},}

показывает, как излучаемая энергия, излучаемая на более коротких длинах волн, увеличивается с температурой быстрее, чем энергия, излучаемая на более длинных волнах.

Закон также может быть выражен в других терминах, например, в количестве фотонов, излучаемых при определенной длине волны или плотности энергии в объеме излучения. единицы СИ в B ν {\ displaystyle B _ {\ nu}}{\ displaystyle B _ {\ nu}} равны W ·sr ·m ·Hz, а в B λ {\ displaystyle B _ {\ lambda }}{\ displaystyle B _ {\ lambda}} - Вт · ср · м.

Планк вскоре понял, что его решение не было уникальным. Было несколько разных решений, каждое из которых давало разные значения энтропии осцилляторов. Для того, чтобы сохранить свою теорию, Планк прибег к использованию тогда спорной теории статистической механики, который он описал как «акт отчаяния... Я был готов пожертвовать любого из моих предыдущих судимостей о физике». Одним из его новых граничных условий было

интерпретировать U N [колебательная энергия N осцилляторов] не как непрерывную, бесконечно делимую роль, а как дискретную оценку, составленную из целого числа конечных равных частей. Назовем каждую такую ​​часть схемы энергии ε;

— Планк, О законе этим новым распределением энергии в нормальном спектре

С условием Планк ввел квантование энергии осцилляторов, «чисто формальное предположение… на самом деле думал…» по его собственным словам, но такое, которое произвело революцию в физике. Применение этого нового подхода к закону с территории Вина показало, что «элемент энергии» должен быть пропорционален частоту осциллятора, первая версия того, что сейчас иногда называют «использованием Планка - Эйнштейна»:

E = h f. {\ displaystyle E = hf.}E = hf.

Планк смог вычислить значение h {\ displaystyle h}час на основе экспериментальных данных по излучению черного тела: его результат 6,55 × 10 Дж. Находится в пределах 1,2% от принятого в настоящее время значения. Он также провел первое определение постоянной Больцмана k B {\ displaystyle k_ {B}}{\ displaystyle k_ {B}} на основе тех же данных и теории.

Расхождение теоретических данных Кривая Рэлея-Джинса (черная) на основе наблюдаемых кривых Планка при различных температурах.

Разработка и применение

Проблема черного тела была повторно рассмотрена в 1905 году, когда Рэлей и Джинс (с одной) и Эйнштейн (с другой стороны) независимо друг от друга доказали, классический электромагнетизм никогда не может найти спектр. Эти доказательства широко известны как «ультрафиолетовая катастрофа », название, придуманное Полом Эренфестом в 1911 году. Они внесли большой вклад (наряду с работой Эйнштейна по фотоэлектрическому эффекту ) в убеждении физиков, что постулат Планка о квантованных уровней энергии был больше, чем простой математический формализм. Первая Solvay Conference в 1911 году была посвящена «теории излучения и квантов».

Фотоэлектрический эффект

Фотоэлектрический эффект - это испускание электронов (так называемых «фотоэлектронов»). Впервые это было замечено Александром Эдмоном Беккерелем в 1839 году, хотя обычно заслуги передаются Генриху Герцу, опубликовавшее первое тщательное расследование в 1887 году. Особенно тщательное расследование было опубликовано Ленард в 1902 году. Статья Эйнштейна 1905 года, в которой обсуждается эффект в терминах световых квантов, принесла ему Нобелевскую премию в 1921 году, после того, как его предсказания были подтверждены экспериментальной работой Роберта Эндрюса Милликена. Нобелевский комитет присудил премию за его работу по фотоэлектрическому эффекту, а не по теории относительности, как из-за предубеждений против чисто теоретической физики, не основанной на открытии или экспериментах, так и из-за его разногласий среди его

До работы Эйнштейна считалось, что электромагнитное излучение, тако из фактического доказательства того, что теория относительности реальности. е как видимый свет, ведет себя как волна: отсюда и использование терминов «частота» и «длина волны» для характеристик различных типов типов. Энергия, передаваемая волной за заданное время, называется ее интенсивностью. Свет от прожектора в театре более интенсивный, чем от домашней лампочки; то есть прожектор излучает больше энергии в единицу времени и на единицу пространства (и, следовательно, потребляет больше электроэнергии), чем обычная лампочка, даже если цвет света может быть очень похожим. Другие волны, такие как звук или волны, разбивающиеся о берег моря, также имеют свою интенсивность. Однако энергетический учет фотоэлектрического эффекта, похоже, не соответствовал волновому описанию света.

«Фотоэлектроны», испускаемые в результате фотоэлектрического эффекта, имеют определенную кинетическую энергию, которую можно измерить. Эта кинетическая энергия (для каждого фотоэлектрона) не зависит от мощности света, но линейно зависит от частоты; и если частота слишком низкая (соответствует энергии фотона, которая меньше, чем работа выхода материала ), фотоэлектроны вообще не испускаются, за исключением множества фотонов, чья энергетическая сумма больше, чем энергия фотоэлектронов действует одновременно (многофотонный эффект). Такое же количество фотоэлектронов, испускаемых с более высокой кинетической энергией, вызывает испускание большего количества фотоэлектронов с той же кинетической энергией.

Эйнштейн объяснил эти наблюдения тем, что сам свет квантуется; что энергия света передается не непрерывно, как в классической волне, а только небольшими «пакетами» или квантами. Размер этих «пакетов» энергии, которые позже будут называться фотонами, должен быть таким же, как «элемент энергии» Планка, давая современную версию соотношения Планка - Эйнштейна:

E = hf. {\ displaystyle E = hf.}E = hf.

Постулат Эйнштейна был позже подтвержден экспериментально: константа измености между падающего света f {\ displaystyle f}f и кинетической энергией фотоэлектронов E {\ displaystyle E}E , как была показана, постоянно постоянная Планка h {\ displaystyle h}час .

Структура атома

Схематизация модели Бора атома водорода. Показанный переход от уровня n = 3 к уровню n = 2 показывает к появлению видимого света с длиной волны 656 нм (красный), как и предсказывает модель.

Нильс Бор представил первую квантованную модель атома в 1913 г., в попытке преодолеть главный недостаток классической модели Резерфорда. В классической электродинамике, движущийся по кругу, должен излучать электромагнитное излучение. Произошло движение этого заряда электроном, вращающимся вокруг ядра, произошло движение к потере энергии и спирали вниз в ядро. Бор решил этот парадокс с явной ссылкой на работу Планка: электрон в атоме Бора мог иметь только верх энергии E n {\ displaystyle E_ {n}}E_ {n}

E n = - hc R ∞ n 2, {\ displaystyle E_ {n} = - {\ frac {hcR _ {\ infty}} {n ^ {2}}},}{\ displaystyle E_ {n} = - {\ frac {hcR _ {\ infty}} {n ^ {2}}},}

где c {\ displaystyle c}c - скорость света в вакууме, R ∞ {\ displaystyle R _ {\ infty}}R _ {{\ infty}} - экспериментально определенная константа (постоянная Ридберга ) и n ∈ {1, 2, 3,... } {\ displaystyle n \ in \ {1,2,3,... \}}{\ displaystyle n \ in \ {1,2,3,... \}} . Как только электрон достиг самого низкого уровня энергии (n = 1 {\ displaystyle n = 1}п = 1 ), он не мог приблизиться к ядру (более низкая энергия). Этот подход также позволил Бору учесть формулу Ридберга, эмпирическое описание атомного водорода, и учесть значение Ридберга R ∞ {\ displaystyle R _ {\ infty}}R _ {{\ infty}} в терминах других фундаментальных констант.

Бор также ввел включение h 2 π {\ displaystyle {\ frac {h} {2 \ pi}}}{ \ frac {h} {2 \ pi}} , теперь известную как приведенная постоянная Планка., как квант углового момента. Несмотря на то, что это оказалось неверным, и несмотря на точное описание углового момента электрона, оказалось вне модели Бора. Правильные правила квантования для электронов - в которых энергия сводится к уравнению модели Бора в атома водорода были даны с помощью матричной механики Гейзенберга в 1925 г. и волнового уравнения Шредингера в 1926 году: приведенная постоянная Планка остается фундаментальным квантом углового момента. Говоря современным языком, если J {\ displaystyle J}J - это полный угловой момент системы с инвариантностью вращения, а J z {\ displaystyle J_ {z}}J_ {z} угловой момент, измеренный в любом заданном направлении, эти величины могут принимать только значения

J 2 = j (j + 1) ℏ 2, j = 0, 1 2, 1, 3 2,…, J z = m ℏ, m = - j, - j + 1,…, j. {\ displaystyle {\ begin {align} J ^ {2} = j (j + 1) \ hbar ^ {2}, \ qquad j = 0, {\ tfrac {1} {2}}, 1, {\ tfrac {3} {2}}, \ ldots, \\ J_ {z} = m \ hbar, \ qquad \ qquad \ quad m = -j, -j + 1, \ ldots, j. \ End {выравнивается}}}{\ begin {align} J ^ {2} = j (j + 1) \ hbar ^ {2}, \ qquad j = 0, {\ tfrac {1} {2}}, 1, {\ tfrac {3} {2}}, \ ldots, \\ J_ {z} = m \ hbar, \ qquad \ qquad \ quad m = -j, -j + 1, \ ldots, j. \ end {align}}

Принцип неопределенности

Постоянная Планка также встречается в формулировках принципа неопределенности Вернера Гейзенберга. Учитывая множество частиц, полученных в одном и том же состоянии, неопределенность в их положении, Δ x {\ displaystyle \ Delta x}\ Delta x , и неопределенность в их импульссе, Δ px {\ displaystyle \ Delta p_ {x}}{\ displaystyle \ Дельта p_ {x}} , подчиняться

Δ x Δ px ≥ ℏ 2, {\ displaystyle \ Delta x \, \ Delta p_ {x} \ geq {\ frac {\ hbar} {2}},}{\ displaystyle \ Delta x \, \ Delta p_ {x} \ geq {\ frac {\ hbar} {2}},}

где неопределенность дается как стандартное отклонение измеренного значения от его ожидаемого значения. Есть несколько других таких пар физически измеримых сопряженных чисел, которые подчиняются аналогичным правиламу. Один из примеров - время против энергии. Обратное соотношение между неопределенностью двух сопряженных переменных приводит к компромиссу в квантовых экспериментах, поскольку более точное измерение одной величины приводит к, что другая величина становится неточной.

В дополнение к некоторым предположениям, лежащим в основе интерпретации определенных значений в квантово-механической формулировке, одним из фундаментальных краеугольных камней всей теории является связь коммутатор между оператором положения . x ^ {\ displaystyle {\ hat {x}}}{\ hat {x}} и оператор импульса p ^ {\ displaystyle {\ hat {p}} }{\ hat {p}} :

[p ^ i, x ^ j] = - я ℏ δ ij, {\ displaystyle [{\ hat {p}} _ {i}, {\ hat {x}} _ {j}] = - i \ hbar \ delta _ {ij},}[{\ hat {p}} _ {i}, {\ hat {x}} _ {j}] = - i \ hbar \ delta _ {ij},

где δ ij {\ displaystyle \ delta _ {ij}}\ delta _ {ij} - дельта Кронекера.

Энергия фотона

Соотношение Планка – Эйнштейна связывает конкретную энергию фотона E с соответствующей частотой волны f:

E = hf {\ displaystyle E = hf}E = hf

Эта энергия чрезвычайно мала с точки зрения обычно воспринимаемых повседневных предметов.

Поскольку частота f, длина волны λ и скорость света c связаны соотношением f = c λ {\ displaystyle f = {\ frac { c} {\ lambda}}}{ \ displaystyle f = {\ frac {c} {\ lambda}}} , отношение также может быть выражено как

E = hc λ. {\ displaystyle E = {\ frac {hc} {\ lambda}}.}E = { \ frac {hc} {\ lambda}}.

длина волны де Бройля λ частицы задается как

λ = hp {\ displaystyle \ lambda = {\ frac {h} {p}}}\ лямбда = {\ frac {h} {p}}

где p обозначает линейный импульс частицы, такой как фотон, или любой другой элементарной частицы.

В приложениях, где он естественно использовать угловую частоту (т.е. где частота выражается в единицах радиан в секунду вместо циклов в секунду или герц ) часто бывает полезно добавить коэффициент 2π в постоянную Планка. Результирующая константа называется приведенной постоянной Планка. Он равен постоянной Планка, деленной на 2π, и обозначается ħ (произносится как «h-bar»):

ℏ = h 2 π. {\ displaystyle \ hbar = {\ frac {h} {2 \ pi}}.}\ hbar = {\ frac {h} {2 \ pi}}.

энергия фотона с угловой частотой ω = 2πf определяется как

E = ℏ ω, {\ displaystyle E = \ hbar \ omega,}E = \ hbar \ omega,

, а его линейный импульс относится к

p = ℏ k, {\ displaystyle p = \ hbar k,}p = \ hbar k,

, где k - угловой волновое число. В 1923 году Луи де Бройль обобщил соотношение Планка – Эйнштейна, постулировав, что постоянная Планка представляет собой пропорциональность между импульсом и квантовой длиной волны не только фотона, но и квантовой длины волны любой частицы. Вскоре это подтвердили эксперименты. Это справедливо для всей квантовой теории, включая электродинамику.

. Эти два отношения являются временной и пространственной частями специальногорелятивистского выражения с использованием 4-векторов.

P μ = (E c, p →) = ℏ К μ знак равно ℏ (ω с, К →) {\ displaystyle P ^ {\ mu} = \ left ( {\ frac {E} {c}}, {\ vec {p}} \ right) = \ hbar K ^ {\ mu} = \ hbar \ left ({\ frac {\ omega} {c}}, {\ vec {k}} \ right)}P ^ {\ mu} = \ left ({\ frac {E} {c}}, {\ vec {p}} \ right) = \ hbar K ^ {\ mu} = \ hbar \ left ({\ frac {\ omega} {c}}, {\ vec {k}} \ справа)

Классическая статистическая механика требует наличия h (но не определяет его значение). В конце концов, после открытия Планка, было признано, что физическое действие не может принимать принятое значение. Вместо этого должно быть некоторое количество целого числа, кратное очень малой величине, «кванту действия», который теперь называется сокращенной постоянной Планка или естественной единицы действия. Это так называемая «старая квантовая теория», разработанная Бором и Зоммерфельдом, в которой траектории частицы существуют, но скрыты, но квантовые законы ограничивают их, основанные на на на их действие. Эта точка зрения была в степени заменена полностью современной квантовой теорией, в которой электрическая система проецирования движения даже не существуют, скорее, частица визуальной функции, распределенной в пространстве и во времени. Таким образом, действие в классическом понимании не имеет ценности. С этой концепцией квантовой энергии, которая существовала в старой квантовой теории, а также существует измененная в современной квантовой физике. Классическая физика не может объяснить ни квантование энергии, ни отсутствие классического движения частиц.

Во многих случаях, например для монохроматического света или для атомов, квантование энергии также подразумевает, что разрешены только уровни энергии, а значения между ними запрещены.

Значение

Постоянная Планка имеет размерность физического действия ; то есть энергия, умноженная на время, или импульс, умноженная на расстояние, или угловой момент. В единицах СИ постоянная Планка выражается в джоуль-секундах (Дж⋅с или Nms или кг мс). В размерах постоянной Планка подразумевается тот факт, что единица измерения частоты в системе СИ, герц, представляет один полный цикл, 360 градусов или 2π радиан в секунду. угловая частота в радианах в секунду более естественна в математике и физике, и во многих формулах используется уменьшенная постоянная Планка (произносится как h-bar)

h = 6,626070 15 × 10–34 J ⋅ s {\ displaystyle h = 6.626 \ 070 \ 15 \ times 10 ^ {- 34} \ {\ text {J}} {\ cdot} {\ text {s}}}{\ displaystyle h = 6.626 \ 070 \ 15 \ раз 10 ^ {- 34} \ {\ text {J}} {\ cdot} { \ text {s}}}
ℏ = час 2 π = 1,054 571 817... × 10 - 34 Дж ⋅ s = 6,582 119 569... × 10 - 16 эВ ⋅ s {\ displaystyle \ hbar = {{h} \ over {2 \ pi}} = 1,054 \ 571 \ 817... \ times 10 ^ {- 34} \ {\ text {J}} {\ cdot} {\ text {s}} = 6.582 \ 119 \ 569... \ times 10 ^ {- 16} \ {\ text {eV}} {\ cdot} {\ text {s}}}{\ displaystyle \ hbar = {{h} \ over {2 \ pi}} = 1,054 \ 571 \ 817... \ times 10 ^ {- 34} \ {\ text {J}} {\ cdot} {\ text {s}} = 6.582 \ 119 \ 569... \ times 10 ^ {- 16 } \ {\ text {eV}} {\ cdot} {\ text {s}}}
Приведенные выше значения рекомендуются в 2018 г. CODATA.

В атомных единицах Hartree,

h = 2 π au, действия {\ displaystyle h = 2 \ pi {\ text {a.u. действия}}}{\ displaystyle h = 2 \ pi {\ text {au действия}}}
ℏ = 1 у.е. действия {\ displaystyle \ hbar = ~~ 1 {\ text {a.u. действия}}}{\ displaystyle \ hbar = ~~ 1 {\ text {au действия}}}

Понимание «фиксации» значения h

С 2019 года численное значение Планка фиксированным с конечными значащими цифрами. В соответствии с настоящим определением килограмм, которое гласит, что «килограмм [... кг] определяется путем принятия фиксированного числового значения равным 6,62607015 × 10 при выражении в единицах Джс, что равно⋅м⋅с, где метр и секунда исследуемое терминах c и продолжительности сверхтонкого перехода основного состояния невозмущенного атома цезия-133 Δν Cs ". Это означает, что масса метрология теперь нацелена на определение значения одного килограмма, и, таким образом, это килограмм, является компенсационным. Каждый эксперимент, направленный на измерение килограмма (например, весы Kibble и метод измерения плотности кристаллов рентгеновских лучей), уточняет значение килограмма

в качестве иллюстрации этого предположим, что решение о точном определении h было принято в 2010 году, когда его измеренное значение составляло 6,62606957 × 10 Дж⋅с, таким о бразом, настоящее определение килограмма также было применено. В будущем значение одного килограмма должно быть уточнено до 6,62607015 / 6,62606957 ≈ 1,0000001-кратной массы Международного прототипа килограмма (IPK), без учета доли метра и секундных единиц. простота.

Значение значения

Постоянная Планка связана с квантованием света и материи. Его можно рассматривать как константу субатомного масштаба . В системе единиц, адаптированной к субатомным масштабам, электронвольт представляет собой единицу энергии, а петагерц Системы с атомными единицами основаны (частично) на постоянной Планка. Физический смысл постоянной Планка может указывать на некоторые основные особенности нашего физического мира. Эти основные функции включают констант вакуума μ 0 {\ displaystyle \ mu _ {0}}\ mu _ {0} и ϵ 0 {\ displaystyle \ epsilon _ {0}}\ epsilon _ {0} . Постоянную Планка можно определить как

h = 13,1 Q μ 0 ϵ 0 ζ 2 {\ displaystyle h = 13.1Q {\ sqrt {\ frac {\ mu _ {0}} {\ epsilon _ {0}}} } \ zeta ^ {2}}{\ displaystyle h = 13, 1 Q {\ sqrt {\ frac {\ mu _ {0}} {\ epsilon _ {0}}}} \ zeta ^ {2}} ,

, где Q - коэффициент качества, а ζ {\ displaystyle \ zeta}\ zeta - интегрированная площадь вектора . в центре волнового пакета, представляющего частицу.

Постоянная Планка - одна из самых маленьких констант, используемая в физике. Это отражает тот факт, что в шкале, адаптированной к людям, где типичны порядка килодоулей, постоянная Планка (квант действия) очень мала. Можно считать, что постоянная Планка имеет отношение только к микроскопическому масштабу, а не к макроскопическому масштабу в нашем повседневном опыте.

Эквивалентным образом порядок постоянка отражает тот факт, что повседневные объекты и системы состоят из большого количества микроскопических частиц. Например, зеленый свет с длиной волны 555 нанометров (длина волны, которую человеческий глаз может воспринимать как зеленый ) имеет частоту 540 ТГц. (540 × 10 Гц ). Каждый фотон имеет энергию E = hf = 3,58 × 10 Дж. Это очень небольшое количество энергии с точки зрения повседневного опыта, но повседневный опыт касается отдельных фотонов не больше, чем отдельные предметы или молекулы. Количество, более типичное для повседневного опыта (хотя и намного большее, чем наименьшее количество, воспринимаемое человеческим глазом), - это энергия одного моля фотонов; его энергию можно вычислить, умножив энергию фотона на постоянную Авогадро, N A = 6,02214076 × 10 моль, с результатом 216 кДж / моль, что соответствует энергии в трех яблоки.

Определение

В принципе, постоянную Планка можно определить, спектр спектра излучения абсолютно черного тела или кинетическую энергию фотоэлектронов, и именно так ее значение было впервые рассчитано в начале двадцатого века.. На практике это уже не самые точные методы.

Установлено установленное, установленное, установленное в лабораторных условиях. Некоторые из приведенных ниже практик постоянной Планка теперь используются для определения массы килограмма. Приведенные ниже методы, за исключением метода рентгеновской кристаллов плотности, основаны на теоретической основе эффект Джозефсона и квантового эффекта Холла.

Джозефсона

Константа Джозефсона K J связывает разность потенциалов U, генерируемую эффектом Джозефсона на «переходе Джозефсона», с диапазоном ν микроволнового излучения. Теоретическая трактовка эффекта Джозефсона очень четко предполагает, что K J = 2e / h.

KJ = ν U = 2 а {\ displaystyle K _ {\ rm {J}} = {\ frac {\ nu} {U}} = {\ frac {2e} {h}} \,}K _ {\ rm {J}} = {\ frac {\ nu} {U}} = {\ frac {2e} {h}} \,

Константу Джозефсона можно измерить путем сравнения разности потенциалов, создаваемой массивом джозефсоновских переходов, с разностью потенциалов, известна в SI вольт. Измерение разности потенциалов в синхронном режиме выполняется электростатическая силе компенсировать измеримую гравитационную силу на весах Киббла. Предполагаемая обоснованная теоретическая трактовка эффекта Джозефсона, K J связано с Планка созданием

h = 8 α μ 0 c 0 кДж 2. {\ displaystyle h = {\ frac {8 \ alpha} {\ mu _ {0} c_ {0} K _ {\ rm {J}} ^ {2}}}.h = {\ frac {8 \ alpha} {\ mu _ {0} c_ {0} K _ {\ rm {J}} ^ {2}}}.

Остаток кусков

Весы Kibble (ранее известные как весы ватт) - это инструмент для сравнения двух мощностей, одно из которых измеряется в SI ваттах, а другое - в электрические блоки. Из определения условного ватта W 90 это дает продукт K JRKв единицах СИ, где R K - постоянная фон Клитцинга, который проявляется в квантовом эффекте Холла. Если теоретические трактовки эффекта Джозефсона и квантового эффекта Холла верны и, в частности, предположить, что R K = h / e, измерение K JRKявляется прямым определением постоянной Планка.

h = 4 кДж 2 R K. {\ displaystyle h = {\ frac {4} {K _ {\ rm {J}} ^ {2} R _ {\ rm {K}}}}.}h = {\ frac {4} {K _ {\ rm {J}} ^ {2} R _ {\ rm {K}}}}.

Магнитный резонанс

Гиромагнитное отношение γ - это константа пропорциональности между параметрами ν ядерного магнитного резонанса (или электронный парамагнитного резонанса для электронов) и приложенным магнитным полем B: ν = γB. Трудно точно измерить гиромагнитные отношения из-за трудностей с точным измерением B, но значение для протонов в воде при 25 ° C лучше, чем одна часть на миллион. Считается, что протоны «экранированы» от приложенного магнитного поля электронами в молекуле воды, тот же эффект, который вызывает химический сдвиг в ЯМР-спектроскопии, и это обозначено штрихом на символ гиромагнитного отношения γ ′ p. Гиромагнитное отношение связано с магнитным моментом экранированного протона μ 'p, спиновым числом I (I = ⁄ 2 для протонов) и приведенным Планковским постоянным.

γ p ′ = μ p ′ I ℏ = 2 μ p ′ ℏ {\ displaystyle \ gamma _ {\ rm {p}} ^ {\ prime} = {\ frac {\ mu _ {\ rm {p} } ^ {\ prime}} {I \ hbar}} = {\ frac {2 \ mu _ {\ rm {p}} ^ {\ prime}} {\ hbar}}}\ gamma _ { \ rm {p}} ^ {\ prime} = {\ frac {\ mu _ {\ rm {p}} ^ {\ prime}} {I \ hbar}} = {\ frac {2 \ mu _ {\ rm {p}} ^ {\ prime}} {\ hbar}}

Отношение экранированного протона магнитный момент μ 'p к магнитному моменту электрона μ e может быть измерен отдельно и с высокой точностью, поскольку неточно известное значение приложенного магнитного поля компенсируется при принятии соотношения. Также известно значение μ e в магнетонах Бора: это половина g-фактора электрона g e. Следовательно,

μ p ′ = μ p ′ μ ege μ B 2 {\ displaystyle \ mu _ {\ rm {p}} ^ {\ prime} = {\ frac {\ mu _ {\ rm {p}} ^ {\ prime}} {\ mu _ {\ rm {e}}}} {\ frac {g _ {\ rm {e}} \ mu _ {\ rm {B}}} {2}}}\ mu _ {\ rm {p}} ^ {\ prime} = {\ frac {\ mu _ {\ rm {p}} ^ {\ prime}} {\ mu _ {\ rm {e}}}} {\ frac {g _ {\ rm {e} } \ mu _ {\ rm {B}}} {2}}
γ p ′ = μ p ′ μ ege μ B ℏ. {\ displaystyle \ gamma _ {\ rm {p}} ^ {\ prime} = {\ frac {\ mu _ {\ rm {p}} ^ {\ prime}} {\ mu _ {\ rm {e}} }} {\ frac {g _ {\ rm {e}} \ mu _ {\ rm {B}}} {\ hbar}}.}\ gamma _ {\ rm {p}} ^ {\ prime } = {\ frac {\ mu _ {\ rm {p}} ^ {\ prime}} {\ mu _ {\ rm {e}}}} {\ frac {g _ {\ rm {e}} \ mu _ {\ rm {B}}} {\ hbar}}.

Еще одна сложность заключается в том, что измерение γ ′ p включает измерение электрического тока: он всегда измеряется в обычных амперах, а не в SI ампер, поэтому требуется коэффициент преобразования. Символ Γ 'p-90 используется для измеренного гиромагнитного отношения с использованием обычных электрических единиц. Кроме того, существует два метода измерения значения, метод «низкого поля» и метод «высокого поля», и коэффициенты преобразования в этих двух случаях различаются. Только высокополевое значение Γ 'p-90 (hi) представляет интерес для определения постоянной Планка.

γ p ′ знак равно кДж - 90 RK - 90 KJRK Γ p - 90 ′ (привет) = KJ - 90 RK - 90 e 2 Γ p - 90 ′ (привет) {\ displaystyle \ gamma _ {\ rm {p }} ^ {\ prime} = {\ frac {K _ {\ rm {J-90}} R _ {\ rm {K-90}}} {K _ {\ rm {J}} R _ {\ rm {K}} }} \ Gamma _ {\ rm {p-90}} ^ {\ prime} ({\ rm {hi}}) = {\ frac {K _ {\ rm {J-90}} R _ {\ rm {K- 90}} e} {2}} \ Gamma _ {\ rm {p-90}} ^ {\ prime} ({\ rm {hi}})}\ gamma _ {\ rm {p}} ^ {\ prime} = {\ frac {K _ {\ rm {J-90}} R _ {\ rm {K-90}}} {K _ {\ rm {J}} R _ {\ rm {K}}}} \ Gamma _ {\ rm {p-90} } ^ {\ prime} ({\ rm {hi}}) = {\ frac {K _ {\ rm {J-90}} R _ {\ rm {K-90}} e} {2}} \ Gamma _ {\ rm {p-90}} ^ {\ prime} ({\ rm {hi}})

Подстановка дает выражение для постоянной Планка в терминах Γ ′ p-90 (привет):

h = c 0 α 2 ge 2 KJ - 90 RK - 90 R ∞ Γ p - 90 ′ (привет) μ p ′ μ e. {\ displaystyle h = {\ frac {c_ {0} \ alpha ^ {2} g _ {\ rm {e}}} {2K _ {\ rm {J-90}} R _ {\ rm {K-90}} R_ {\ infty} \ Gamma _ {\ rm {p-90}} ^ {\ prime} ({\ rm {hi}})}} {\ frac {\ mu _ {\ rm {p}} ^ {\ prime }} {\ mu _ {\ rm {e}}}}.}h = {\ frac {c_ {0} \ alpha ^ {2} g _ {\ rm { e}}} {2K _ {\ rm {J-90}} R _ {\ rm {K-90}} R _ {\ infty} \ Gamma _ {\ rm {p-90}} ^ {\ prime} ({\ rm {hi}})}} {\ frac {\ mu _ {\ rm {p}} ^ {\ prime}} {\ mu _ {\ rm {e}}}}.

Постоянная Фарадея

Постоянная Фарадея F - это заряд одного моля электронов, равный Постоянная Авогадро N A, умноженная на элементарный заряд e. Его можно определить путем тщательных экспериментов по электролизу, измеряя количество серебра, растворенного на электроде за заданное время и для заданного электрического тока. На практике он измеряется в обычных электрических единицах, поэтому обозначается символом F 90. Подстановка определений N A и e и преобразование обычных электрических единиц в единицы СИ дает отношение к постоянной Планка.

час знак равно с 0 M u A r (e) α 2 R ∞ 1 кДж - 90 RK - 90 F 90 {\ displaystyle h = {\ frac {c_ {0} M _ {\ rm {u}} A_ { \ rm {r}} ({\ rm {e}}) \ alpha ^ {2}} {R _ {\ infty}}} {\ frac {1} {K _ {\ rm {J-90}} R _ {\ rm {K-90}} F_ {90}}}}h = {\ frac {c_ {0} M _ {\ rm {u}} A _ {\ rm {r}} ({\ rm {e}}) \ альфа ^ {2}} {R _ {\ infty}}} {\ frac {1} {K _ {\ rm {J-90}} R _ {\ rm {K-90}} F_ {90}}}

Плотность кристаллов в рентгеновских лучах

Метод определения плотности кристаллов в рентгеновских лучах - это прежде всего метод определения постоянной Авогадро N A, но поскольку постоянная Авогадро связана с постоянной Планка, она также определяет значение h. Принцип, лежащий в основе метода, состоит в том, чтобы определить N A как соотношение между объемом элементарной ячейки кристалла, измеренным с помощью рентгеновской кристаллографии, и молярный объем вещества. Используются кристаллы кремния, поскольку они доступны в высоком качестве и чистоте благодаря технологии, разработанной для полупроводниковой промышленности. Объем элементарной ячейки рассчитывается из расстояния между двумя кристаллическими плоскостями, обозначенными как d 220. Молярный объем V м (Si) требует знания плотности кристалла и атомной массы текущего кремния. Постоянная Планка определяется как

h = M u A r (e) c 0 α 2 R ∞ 2 d 220 3 V m (S i). {\ displaystyle h = {\ frac {M _ {\ rm {u}} A _ {\ rm {r}} ({\ rm {e}}) c_ {0} \ alpha ^ {2}} {R _ {\ infty}}} {\ frac {{\ sqrt {2}} \ d_ {220} ^ {3}} {V _ {\ rm {m}} ({\ rm {Si}})}}.}.{\ displaystyle h = {\ frac {M _ {\ rm {u}} A _ {\ rm {r}} ({\ rm {e}}) c_ {0} \ alpha ^ {2}} {R _ {\ infty}}} {\ frac {{\ sqrt {2}} \ d_ {220} ^ {3}} {V _ {\ rm {m}} ({\ rm {Si}})}}.}

Частица ускоритель

Экспериментальное измерение постоянной Планка в лаборатории Большого адронного коллайдера было проведено в 2011 году. Исследование под названием PCC с использованием гигантского ускорителя частиц помогло лучше понять иь между постоянной Планкой и измерением расстояний в космосе.

См. также

Примечания

Ссылки

Цитаты

Источники

Внешние ссылки

Видео

Последняя правка сделана 2021-06-02 07:29:56
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте