Постоянная планка формула через напряжение. Постоянная планка и геометрия квантовой природы света

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»

Постоя́нная Пла́нка , обозначаемая как h , является физической постоянной, используемой для описания величины кванта действия в квантовой механике. Данная постоянная впервые появилась в работах М. Планка, посвящённых тепловому излучению, и потому названа в его честь. Она присутствует как коэффициент между энергией E и частотойν фотона в формуле Планка:

Скорость света c связана с частотой ν и длиной волны λ соотношением:

С учётом этого соотношение Планка записывается так:

Часто применяется величина

Дж c,

Эрг c,

ЭВ c,

называемая редуцированной (или рационализированной) постоянной Планка или.

Постоянную Дирака удобно использовать тогда, когда применяется угловая частота ω , измеряемая в радианах за секунду, вместо обычной частоты ν , измеряемой количеством циклов за секунду. Так как ω = 2πν , то справедлива формула:

Согласно гипотезе Планка, впоследствии подтверждённой, энергия атомных состояний является квантованной. Это приводит к тому, что нагретое вещество излучает электромагнитные кванты или фотоны определённых частот, спектр которых зависит от химического состава вещества.

В Юникоде постоянная Планка занимает позицию U+210E (h), а постоянная Дирака U+210F (ħ).

Величина

Постоянная Планка имеет размерность энергии, умноженной на время, как и размерность действия. В международной системе единиц СИ постоянная Планка выражается в единицах Дж с. Такую же размерность имеет произведение импульса на расстояние в виде Н м с, а также момент импульса.

Значение постоянной Планка равно:

Дж с эВ с.

Две цифры между скобками обозначают неопределённость в двух последних цифрах значения постоянной Планка (данные обновляются приблизительно каждые 4 года).

Происхождение постоянной Планка

Излучение чёрного тела

Основная статья : Формула Планка

В конце 19 века Планк исследовал проблему излучения абсолютно чёрного тела, которую за 40 лет до этого сформулировал Кирхгоф. Нагретые тела светятся тем сильнее, чем выше их температура и больше внутренняя тепловая энергия. Теплота распределяется между всеми атомами тела, приводя их в движение друг относительно друга и к возбуждению электронов в атомах. При переходе электронов к устойчивым состояниям излучаются фотоны, которые могут снова поглощаться атомами. При каждой температуре возможно состояние равновесия между излучением и веществом, при этом доля энергии излучения в общей энергии системы зависит от температуры. В состоянии равновесия с излучением абсолютно чёрное тело не только поглощает всё падающее на него излучение, но и излучает само то же самое количество энергии, по определённому закону распределения энергии по частотам. Закон, связывающий температуру тела с мощностью общей излучаемой энергии с единицы поверхности тела, носит название закон Стефана-Больцмана и был установлен в 1879–1884 гг.

При нагревании увеличивается не только общее количество излучаемой энергии, но меняется и состав излучения. Это видно по тому, что меняется цвет нагреваемых тел. Согласно закону смещения Вина 1893 г., основанному на принципе адиабатического инварианта, для каждой температуры можно вычислить длину волны излучения, при которой тело светится наиболее сильно. Вин сделал достаточно точную оценку формы энергетического спектра чёрного тела при высоких частотах, но не смог объяснить ни форму спектра, ни его поведение при низких частотах.

Планк предположил, что поведение света подобно движению набора множества одинаковых гармонических осцилляторов. Он изучал изменение энтропии этих осцилляторов в зависимости от температуры, пытаясь обосновать закон Вина, и нашёл подходящую математическую функцию для спектра чёрного тела.

Однако вскоре Планк понял, что кроме его решения возможны и другие, приводящие к другим значениям энтропии осцилляторов. В результате он был вынужден использовать вместо феноменологического подхода отвергаемую им ранее статистическую физику, что он описывал как "акт отчаяния … Я был готов пожертвовать любыми моими предыдущими убеждениями в физике." Одним из новых принятых Планком условий было:

интерпретировать U N (энергия колебаний N осцилляторов ) не как непрерывную неограниченно делимую величину, а как дискретную величину, состоящую из суммы ограниченных равных частей. Обозначим каждую такую часть в виде элемента энергии через ε;

С этим новым условием Планк фактически вводил квантованность энергии осцилляторов, говоря, что это "чисто формальное предположение … на самом деле я не думал об этом глубоко…", однако это привело к настоящей революции в физике. Применение нового подхода к закону смещения Вина показало, что "элемент энергии" должен быть пропорционален частоте осциллятора. Это было первой версией того, что сейчас называется "формула Планка":

Планку удалось вычислить значение h из экспериментальных данных по излучению чёрного тела: его результат был 6,55 10 −34 Дж с, с точностью 1,2 % от принятого сейчас значения. Он также смог впервые определить k B из тех же данных и своей теории.

До теории Планка предполагалось, что энергия тела может быть любой, являясь непрерывной функцией. Это эквивалентно тому, что элемент энергии ε (разность между дозволенными уровнями энергии) равен нулю, следовательно должна быть равна нулю и h . Исходя из этого следует понимать утверждения о том, что "постоянная Планка равна нулю в классической физике" или что "классическая физика является пределом квантовой механики при устремлении постоянной Планка к нулю". Вследствие малости постоянной Планка она почти не проявляется в обычном человеческом опыте и до работ Планка была незаметна.

Проблема чёрного тела была пересмотрена в 1905 г., когда Рэлей и Джинс с одной стороны, и Эйнштейн с другой стороны, независимо доказали, что классическая электродинамика не может обосновать наблюдаемый спектр излучения. Это привело к так называемой "ультрафиолетовой катастрофе", обозначенной таким образом Эренфестом в 1911 г. Усилия теоретиков (вместе с работой Эйнштейна по фотоэффекту) привели к признанию того, что постулат Планка о квантовании уровней энергии является не простым математическим формализмом, а важным элементом представлений о физической реальности. Первый Сольвеевский конгресс в 1911 г. был посвящён "теории радиации и квантов". Макс Планк в 1918 г. получил Нобелевскую премию по физике "за признание заслуг в развитии физики и открытие кванта энергии".

Фотоэффект

Основная статья : Фотоэффект

Фотоэффект заключается в эмиссии электронов (называемых фотоэлектронами) с поверхности при освещении её светом. Впервые он наблюдался Беккерелем в 1839 г., хотя обычно упоминается Генрих Герц, который опубликовал в 1887 г. обширное исследование на эту тему. Столетов в 1888–1890 гг. сделал несколько открытий в области фотоэффекта, в том числе вывел первый закон внешнего фотоэффекта. Другое важное исследование фотоэффекта опубликовал Ленард в 1902 г. Хотя Эйнштейн не проводил сам экспериментов по фотоэффекту, но его работа 1905 г. рассматривала эффект на основе световых квантов. Это принесло Эйнштейну нобелевскую премию в 1921 г. , когда его предсказания были подтверждены экспериментальной работой Милликена. В это время теория фотоэффекта Эйнштейна рассматривалась как более значительная, чем его теория относительности.

До работы Эйнштейна каждое электромагнитное излучение рассматривалось в виде набора волн, обладающих своей "частотой" и "длиной волны". Энергия, переносимая волной за единицу времени, называется интенсивностью. Аналогичные параметры имеют и другие виды волн, например звуковая волна или волна на воде. Однако перенос энергии, связанной с фотоэффектом, не согласуется с волновой картиной света.

Кинетическая энергия фотоэлектронов, появляющихся в фотоэффекте, может быть измерена. Оказывается, что она не зависит от интенсивности света, но зависит линейно от частоты. При этом увеличение интенсивности света приводит не к увеличению кинетической энергии фотоэлектронов, а к увеличению их количества. Если же частота слишком мала и кинетическая энергия фотоэлектронов порядка нуля, то фотоэффект исчезает, несмотря на значительную интенсивность света.

Согласно объяснению Эйнштейна, в данных наблюдениях проявляется квантовая природа света; энергия света переносится малыми "пакетами" или квантами, а не в виде непрерывной волны. Величина этих "пакетов" энергии, которые позже назвали фотонами, была той же самой, что и у "элементов энергии" Планка. Это привело к современному виду формулы Планка для энергии фотона:

Постулат Эйнштейна был доказан экспериментально: постоянная пропорциональности между частотой света ν и энергией фотона E оказалась равной постоянной Планка h .

Структура атома

Основная статья : Постулаты Бора

Нильс Бор представил первую квантовую модель атома в 1913 г., пытаясь избавиться от затруднений классической модели атома Резерфорда. Согласно классической электродинамике, точечный заряд при вращении вокруг неподвижного центра должен излучать электромагнитную энергию. Если такая картина справедлива для электрона в атоме при его вращении вокруг ядра, то с течением времени электрон потеряет энергию и упадёт на ядро. Для преодоления этого парадокса Бор предложил считать, аналогично тому, как это имеет место у фотонов, что электрон в водородоподобном атоме должен иметь квантованные энергии E n :

где R ∞ есть экспериментально определённая константа (постоянная Ридберга в единицах обратной длины), с – скорость света, n – целое число (n = 1, 2, 3, …), Z – порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева, равный единице для атома водорода. Электрон, попавший на нижний энергетический уровень (n = 1), находится в основном состоянии атома и уже не может, в силу пока не определённых в квантовой механике причин, уменьшить свою энергию. Такой подход позволил Бору прийти к формуле Ридберга, эмпирически описывающей спектр излучения атома водорода, и вычислить значение постоянной Ридберга R ∞ через другие фундаментальные константы.

Бор также ввёл величину h /2π , известную как редуцированная постоянная Планка или ħ, как квант момента импульса. Бор предполагал, что ħ определяет модуль момента импульса каждого электрона в атоме. Но это оказалось неточным, несмотря на улучшения теории Бора Зоммерфельдом и другими. Более корректной оказалась квантовая теория, в виде матричной механики Гейзенберга в 1925 г. и в виде уравнения Шрёдингера в 1926 г. При этом постоянная Дирака осталась фундаментальным квантом момента импульса. Если J есть общий момент импульса системы с инвариантностью вращения, и J z есть момент импульса, измеряемый вдоль выделенного направления, то эти величины могут иметь только следующие значения:

Принцип неопределённости

Постоянная Планка содержится также в выражении для принципа неопределённости Вернера Гейзенберга. Если брать большое количество частиц в одном и том же состоянии, то неопределённость в их положении Δx , и неопределённость в их импульсе (в том же самом направлении), Δp , подчиняются соотношению:

где неопределённость задаётся как среднеквадратическое отклонение измеряемой величины от её математического ожидания. Существуют и другие подобные пары физических величин, для которых справедливо соотношение неопределённостей.

В квантовой механике постоянная Планка входит в выражение для коммутатора между оператором положения и оператором импульса :

где δ ij есть символ Кронекера.

Спектр тормозного рентгеновского излучения

При взаимодействии электронов с электростатическим полем атомных ядер возникает тормозное излучение в виде рентгеновских квантов. Известно, что частотный спектр тормозного рентгеновского излучения имеет точную верхнюю границу, называемую фиолетовой границей. Её существование вытекает из квантовых свойств электромагнитного излучения и закона сохранения энергии. Действительно,

где – скорость света,

– длина волны рентгеновского излучения,

– заряд электрона,

– ускоряющее напряжение между электродами рентгеновской трубки.

Тогда постоянная Планка будет равна:

Физические константы, связанные с постоянной Планка

Список констант, указанных ниже, основан на данных 2014 CODATA . . Приблизительно 90 % неточности в этих константах связаны с неточностью определения постоянной Планка, как это видно из квадрата коэффициента корреляции Пирсона (r 2 > 0,99, r > 0,995). Если сравнивать с другими константами, постоянная Планка известна с точностью порядкапри неопределённости измерения 1σ .Эта точность значительно лучше, чем у или у универсальной газовой постоянной.

Масса покоя электрона

Как правило, постоянная Ридберга R ∞ (в единицах обратной длины) определяется через массу m e и другие физические константы:

Постоянная Ридберга может быть определена очень точно () из спектра атома водорода, тогда как для массы электрона нет прямого способа измерения. Поэтому для определения массы электрона используется формула:

где c есть скорость света и α есть . Скорость света достаточно точно определяется в системе единиц СИ, как и постоянная тонкой структуры (). Поэтому неточность определения массы электрона зависит только от неточности постоянной Планка (r 2 > 0,999).

Постоянная Авогадро

Основная статья : Число Авогадро

Число Авогадро N A определяется как отношение массы одного моля электронов к массе одного электрона. Для её нахождения нужно взять массу одного моля электронов в виде "относительной атомной массы" электрона A r (e), измеряемой в ловушке Пеннинга (), умноженной на единицу молярной массы M u , которая в свою очередь определяется как 0,001 кг/моль. В результате получается:

Зависимость числа Авогадро от постоянной Планка (r 2 > 0,999) повторяется и для других постоянных, связанных с количеством вещества, например, для атомной единицы массы. Неопределённость в значении постоянной Планка ограничивает значения атомных масс и частиц в единицах системы СИ, то есть в килограммах. В то же время отношения масс частиц известны с лучшей точностью.

Элементарный заряд

Зоммерфельд первоначально определял постоянную тонкой структуры α так:

где e есть элементарный электрический заряд, ε 0 – (называемая также диэлектрической проницаемостью вакуума), μ 0 – магнитная постоянная или магнитная проницаемость вакуума. Последние две постоянные имеют фиксированные значения в системе единиц СИ. Значение α может быть определено экспериментально путём измерения g-фактора электрона g e и последующего сравнения со значением, вытекающим из квантовой электродинамики.

В настоящее время наиболее точное значение элементарного электрического заряда получается из приведённой выше формулы:

Магнетон Бора и ядерный магнетон

Основные статьи : Магнетон Бора , Ядерный магнетон

Магнетон Бора и ядерный магнетон являются единицами, используемыми для описания магнитных свойств электрона и атомных ядер соответственно. Магнетон Бора есть магнитный момент, который ожидается у электрона, если бы он вёл себя как вращающаяся заряженная частица согласно классической электродинамике. Его значение выводится через постоянную Дирака, элементарный электрический заряд и массу электрона. Все эти величины выводятся через постоянную Планка, результирующая зависимость от h ½ (r 2 > 0,995) может быть найдена с учётом формулы:

Ядерный магнетон имеет похожее определение, с той разницей, что протон значительно массивнее электрона. Отношение электронной относительной атомной массы к протонной относительной атомной массе может быть определено с большой точностью (). Для связи между обоими магнетонами можно записать:

Определение из экспериментов

Постоянная Планка может быть определена из спектра излучающего чёрного тела или кинетической энергии фотоэлектронов, как это было сделано в начале двадцатого века. Однако данные методы не самые точные. Значение h согласно CODATA основано на базе трёх измерений методом баланса мощностей произведения величин K J 2 R K и одного межлабораторного измерения молярного объёма кремния, в основном методом баланса мощностей до 2007 г. в США в National Institute of Standards and Technology (NIST). Другие измерения, указанные в таблице, не повлияли на результат из-за недостаточной точности.

Имеются как практические, так и теоретические трудности при определении h . Так, наиболее точные методы баланса мощности и рентгеновской плотности кристалла не полностью согласуются друг с другом по своим результатам. Это может быть следствием переоценки точности в этих методах. Теоретические трудности вытекают из того, что все методы, кроме рентгеновской плотности кристалла, основаны на теоретической базе эффекта Джозефсона и квантового эффекта Холла. При некоторой возможной неточности этих теорий возникнет и неточность в определении постоянной Планка. При этом полученное значение постоянной Планка уже не может использоваться как тест для проверки этих теорий во избежание замкнутого логического круга. Положительным моментом является то, что имеются независимые статистические способы проверки этих теорий.

Постоянная Джозефсона

Основная статья : Эффект Джозефсона

Постоянная Джозефсона K J связывает разность потенциалов U , возникающую в эффекте Джозефсона в "контактах Джозефсона", с частотой ν микроволнового излучения. Из теории достаточно строго следует выражение:

Постоянная Джозефсона может быть измерена путём сравнения с разностью потенциалов, возникающей в батарее контактов Джозефсона. Для измерения разности потенциалов используется компенсация электростатической силы силой гравитации. Из теории следует, после замены электрического заряда e на его значение через фундаментальные постоянные (см. выше Элементарный заряд ), выражение для постоянной Планка через K J:

Баланс мощности

В данном методе осуществляется сравнение двух видов мощности, одна из которых измеряется в системе единиц СИ в ваттах, а другая измеряется в условных электрических единицах . Из определения условного ватта W 90 , он даёт меру для произведения K J 2 R K в единицах СИ, где R K есть постоянная Клитцинга, появляющаяся в квантовом эффекте Холла. Если теоретическая трактовка эффекта Джозефсона и квантового эффекта Холла верна, тогда R K = h /e 2 , и измерение K J 2 R K приводит к определению постоянной Планка:

Магнитный резонанс

Основная статья : Гиромагнитное отношение

Гиромагнитное отношение γ является коэффициентом пропорциональности между частотой ν ядерного магнитного резонанса (или электронного парамагнитного резонанса для электронов), и приложенным магнитным полем B : ν = γB . Хотя имеется трудность в определении гиромагнитного отношения из-за неточности измерения B , для протонов в воде при 25 °C она известна с лучшей точностью, чем 10 –6 . Протоны частично "экранируются" от приложенного магнитного поля электронами молекул воды. Такой же эффект приводит к химическому сдвигу в ядерно-магнитной спектроскопии, и обозначается штрихом у символа гиромагнитного отношения, γ′ p . Гиромагнитное отношение связано с магнитным моментом экранированного протона μ′ p , спиновым квантовым числом S (S =1/2 для протонов) и постоянной Дирака:

Отношение магнитного момента экранированного протона μ′ p к магнитному моменту электрона μ e может быть измерено независимо с высокой точностью, поскольку неточность магнитного поля на результате сказывается мало. Значение μ e , выраженное в магнетонах Бора, равно половине электронного g-фактора g e . Следовательно,

Дальнейшее усложнение связано с тем, что для измерения γ′ p необходимо измерение электрического тока. Этот ток независимо измеряется в условных амперах, поэтому для перевода в амперы системы СИ требуется коэффициент пересчёта. Символом Γ′ p-90 обозначается измеряемое гиромагнитное отношение в условных электрических единицах (разрешённое использование данных единиц началось с начала 1990 г.). Эта величина может измеряться двумя способами, методом "слабого поля" и методом "сильного поля", и коэффициент пересчёта в этих случаях получается различным. Обычно для измерения постоянной Планка используется метод сильного поля и значение Γ′ p-90 (hi):

После замены получается выражение для постоянной Планка через Γ′ p-90 (hi):

Постоянная Фарадея

Основная статья : Постоянная Фарадея

Постоянная Фарадея F есть заряд одного моля электронов, равный числу Авогадро N A , умноженному на элементарный электрический заряд e . Она может быть определена при тщательных экспериментах по электролизу, путём измерения количества серебра, перемещённого с одного электрода на другой за данное время при заданном электрическом токе. На практике она измеряется в условных электрических единицах, и обозначается F 90 . Подставляя значения N A и e , и переходя от условных электрических единиц к единицам СИ, получают соотношение для постоянной Планка:

Рентгеновская плотность кристалла

Метод рентгеновской плотности кристалла является основным методом измерения постоянной Авогадро N A , а через неё и постоянной Планка h . Для нахождения N A берётся отношение между объёмом элементарной ячейки кристалла, измеряемой методом рентгеноструктурного анализа, и молярным объёмом вещества. Используются кристаллы кремния, поскольку они доступны с высоким качеством и чистотой благодаря технологии, развитой при производстве полупроводников. Объём элементарной ячейки вычисляется из пространства между двумя кристаллическими плоскостями, обозначаемыми d 220 . Молярный объём V m (Si) вычисляется через плотность кристалла и атомный вес используемого кремния. Постоянная Планка даётся выражением:

Постоянная Планка в системе единиц СИ

Основная статья : Килограмм

Как было указано выше, численное значение постоянной Планка зависит от используемой системы единиц. Её значение в системе единиц СИ известно с точностью 1,2∙10 –8 , хотя в атомных (квантовых) единицах она определяется точно (в атомных единицах путём выбора единиц энергии и времени можно добиться того, чтобы постоянная Дирака как редуцированная постоянная Планка равнялась 1). Такая же ситуация имеет место в условных электрических единицах, где постоянная Планка (записывается h 90 в отличие от обозначения в СИ) даётся выражением:

где K J–90 и R K–90 являются точно определёнными постоянными. Атомные единицы и условные электрические единицы удобно использовать в соответствующих областях, так как неопределенности в окончательном результате зависят только от неопределённостей измерений, не требуя дополнительного и вносящего неточность коэффициента пересчёта в систему СИ.

Существует ряд предложений по модернизации значений существующей системы базовых единиц СИ с помощью фундаментальных физических констант. Это уже было сделано для метра, который определяется через заданное значение скорости света. Возможной следующей единицей для пересмотра является килограмм, чьё значение фиксируется с 1889 г. массой малого цилиндра из платиноиридиевого сплава, хранящегося под тремя стеклянными колпаками. Имеется порядка 80 копий таких стандартов массы, которые периодически сравниваются с международной единицей массы. Точность вторичных эталонов изменяется со временем за счёт их использования, вплоть до значений в десятки микрограммов. Это приблизительно соответствует неточности в определении постоянной Планка.

На 24-й Генеральной конференции по мерам и весам 17-21 октября 2011 года была единогласно принята резолюция, в которой, в частности, предложено в будущей ревизии Международной системы единиц (СИ) переопределить единицы измерений СИ таким образом, чтобы постоянная Планка была равной точно 6,62606X 10 −34 Дж с, где Х заменяет одну или более значащих цифр, которые будут определены в дальнейшем на основании наиболее точных рекомендаций CODATA. . В этой же резолюции предложено таким же образом определить как точные значения постоянную Авогадро, и .

Постоянная Планка в теории бесконечной вложенности материи

В отличие от атомизма, в теории отсутствуют материальные объекты – частицы с минимальной массой или размерами. Вместо этого предполагается бесконечная делимость материи на всё более уменьшающиеся структуры, и одновременно существование множества объектов, по размерам значительно превышающих нашу Метагалактику. При этом материя организуется в отдельные уровни по массам и размерам, для которых возникает , проявляется и осуществляется .

Так же как постоянная Больцмана и ряд других констант, постоянная Планка отражает свойства, присущие уровню элементарных частиц (в первую очередь нуклонам и , составляющим вещество). С одной стороны, постоянная Планка связывает энергию фотонов и их частоту; с другой стороны, она с точностью до небольшого численного коэффициента 2π , в виде ħ задаёт единицу орбитального момента электрона в атоме. Такая связь не случайна, поскольку при излучении из атома электрон уменьшает свой орбитальный момент импульса, передавая его фотону за период существования возбуждённого состояния. За один период обращения электронного облака вокруг ядра фотон получает такую долю энергии, которая соответствует доле переданного электроном момента импульса. Средняя частота фотона близка к частоте вращения электрона вблизи уровня энергии, куда электрон переходит при излучении, поскольку мощность излучения электрона быстро нарастает при приближении к ядру.

Математически это можно описать так. Уравнение вращательного движения имеет вид:

где K – момент силы, L – момент импульса. Если умножить это соотношение на приращение угла вращения и учесть, что есть изменение энергии вращения электрона, а есть угловая частота орбитального вращения, то будет:

В этом соотношении энергию dE можно трактовать как приращение энергии излучаемого фотона при приращении им момента импульса на величину dL . Для полной энергии фотона E и полного момента импульса фотона величину ω следует понимать как усреднённую угловую частоту фотона.

В дополнение к корреляции свойств излучаемых фотонов и атомных электронов через момент импульса, атомные ядра также обладают моментами импульса, выражаемыми в единицах ħ. Можно поэтому предположить, что постоянная Планка описывает вращательное движение элементарных частиц ( нуклонов, ядер и электронов, орбитальное движение электронов в атоме), и преобразование энергии вращения и колебаний заряженных частиц в энергию излучения. Кроме этого, основываясь на идее корпускулярно-волнового дуализма, в квантовой механике всем частицам приписывается сопутствующая им материальная волна де Бройля. Эта волна рассматривается в виде волны амплитуды вероятности нахождения частицы в той или иной точке пространства. Как и для фотонов, постоянные Планка и Дирака в таком случае становятся коэффициентами пропорциональности для квантовой частицы, входя в выражения для импульса частицы , для энергии E и для действия S :

ПЛАНКА ПОСТОЯННАЯ h , одна из универсальных числовых констант природы, входящая во многие формулы и физические законы, описывающие поведение материи и энергии в масштабах микромира. Существование этой константы было установлено в 1900 профессором физики Берлинского университета М.Планком в работе, заложившей основы квантовой теории. Им же была дана предварительная оценка ее величины. Принятое в настоящее время значение постоянной Планка равно (6,6260755 ± 0,00023)Ч 10 –34 ДжЧ с.

Планк сделал это открытие, пытаясь найти теоретическое объяснение спектра излучения, испускаемого нагретыми телами. Такое излучение испускают все тела, состоящие из большого числа атомов, при любой температуре выше абсолютного нуля, однако оно становится заметным лишь при температурах, близких к температуре кипения воды 100° С и выше нее. Кроме того, оно охватывает весь спектр частот от радиочастотного диапазона до инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областей. В области видимого света излучение становится достаточно ярким лишь примерно при 550° С. Зависимость интенсивности излучения за единицу времени от частоты характеризуется спектральными распределениями, представленными на рис. 1 для нескольких значений температуры. Интенсивность излучения при данном значении частоты есть количество энергии, излучаемой в узкой полосе частот в окрестности данной частоты. Площадь кривой пропорциональна полной энергии, излучаемой на всех частотах. Как нетрудно видеть, эта площадь быстро увеличивается с повышением температуры.

Планк хотел вывести теоретически функцию спектрального распределения и найти объяснение двух простых установленных экспериментально закономерностей: частота, отвечающая наиболее яркому свечению нагретого тела, пропорциональна абсолютной температуре, а полная энергия, излучаемая за 1 с единичной площадкой поверхности абсолютно черного тела, – четвертой степени его абсолютной температуры.

Первую закономерность можно выразить формулой

где n m – частота, соответствующая максимальной интенсивности излучения, Т – абсолютная температура тела, а a – постоянная, зависящая от свойств излучающего объекта. Вторая закономерность выражается формулой

где Е – полная энергия, излучаемая единичной площадкой поверхности за 1 с, s – постоянная, характеризующая излучающий объект, а Т – абсолютная температура тела. Первая формула называется законом смещения Вина, а вторая – законом Стефана – Больцмана. Планк стремился на основании этих законов вывести точное выражение для спектрального распределения излучаемой энергии при любой температуре.

Универсальный характер явления можно было объяснить с позиций второго начала термодинамики, согласно которому тепловые процессы, протекающие самопроизвольно в физической системе, всегда идут в направлении установления в системе теплового равновесия. Представим себе, что два полых тела А и В разной формы, разного размера и из разного материала с одной температурой обращены друг к другу, как показано на рис. 2. Если предположить, что из А в В приходит больше излучения, чем из В в А , то тело В неизбежно становилось бы более теплым за счет А и равновесие самопроизвольно нарушалось бы. Такая возможность исключается вторым началом термодинамики, а следовательно, оба тела должны излучать одинаковое количество энергии, и, стало быть, величина s в формуле (2) не зависит от размера и материала излучающей поверхности, при условии, что последняя представляет собой некую полость. Если полости разделить цветным экраном, который фильтровал бы и отражал обратно все излучение, кроме излучения с какой-либо одной частотой, то все сказанное осталось бы справедливым. Это означает, что количество излучения, испускаемого каждой полостью в каждом участке спектра, одно и то же, и функция спектрального распределения для полости носит характер универсального закона природы, причем величина a в формуле (1), подобно величине s , является универсальной физической константой.

Планк, хорошо владевший термодинамикой, предпочел именно такое решение проблемы и, действуя методом проб и ошибок, нашел термодинамическую формулу, которая позволяла вычислять функцию спектрального распределения. Полученная формула согласовалась со всеми имевшимися экспериментальными данными и, в частности, с эмпирическими формулами (1) и (2). Чтобы объяснить это, Планк воспользовался хитроумной уловкой, подсказанной вторым началом термодинамики. Справедливо полагая, что термодинамика вещества лучше изучена, нежели термодинамика излучения, он сосредоточил свое внимание преимущественно на веществе стенок полости, а не на излучении внутри нее. Поскольку постоянные, входящие в законы Вина и Стефана – Больцмана, не зависят от природы вещества, Планк был вправе делать любые предположения относительно материала стенок. Он выбрал модель, в которой стенки состоят из огромного числа крошечных электрически заряженных осцилляторов, каждый со своей частотой. Осцилляторы под действием падающего на них излучения могут колебаться, излучая при этом энергию. Весь процесс можно было исследовать исходя из хорошо известных законов электродинамики, т.е. функцию спектрального распределения можно было найти, вычислив среднюю энергию осцилляторов с разными частотами. Обратив последовательность рассуждений, Планк, исходя из угаданной им правильной функции спектрального распределения, нашел формулу для средней энергии U осциллятора с частотой n в полости, находящейся в равновесии при абсолютной температуре Т :

где b – величина, определяемая экспериментально, а k – постоянная (называемая постоянной Больцмана, хотя впервые была введена Планком), которая фигурирует в термодинамике и кинетической теории газов. Поскольку эта постоянная обычно входит с множителем Т , удобно ввести новую постоянную h = b k. Тогда b = h /k и формулу (3) можно переписать в виде

Новая постоянная h и представляет собой постоянную Планка; вычисленное Планком ее значение составило 6,55Ч 10 –34 ДжЧ с, что всего лишь примерно на 1% отличается от современного значения. Теория Планка позволила выразить величину s в формуле (2) через h, k и скорость света с :

Это выражение согласовалось с экспериментом в пределах той точности, с которой были известны константы; позднее более точные измерения не обнаружили расхождений.

Таким образом, проблема объяснения функции спектрального распределения свелась к более «простой» задаче. Нужно было объяснить, каков физический смысл постоянной h или, вернее, произведения hn . Открытие Планка состояло в том, что объяснить ее физический смысл можно, лишь введя в механику совершенно новое понятие «кванта энергии». 14 декабря 1900 на заседании Немецкого физического общества Планк в своем докладе показал, что формулу (4), а тем самым и остальные формулы можно объяснить, если предположить, что осциллятор с частотой n обменивается энергией с электромагнитным полем не непрерывно, а как бы ступенями, приобретая и теряя свою энергию дискретными порциями, квантами, каждый из которых равен hn . ТЕПЛОТА; ТЕРМОДИНАМИКА. Следствия из сделанного Планком открытия изложены в статьях ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ; КОМПТОНА ЭФФЕКТ; АТОМ; АТОМА СТРОЕНИЕ; КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА.

Квантовая механика представляет собой общую теорию явлений в масштабе микромира. Открытие Планка выступает ныне как вытекающее из уравнений этой теории важное следствие особого характера. В частности, оказалось, что оно имеет силу для всех процессов обмена энергией, которые происходят при колебательном движении, например в акустике и в электромагнитных явлениях. Им объясняется высокая проникающая способность рентгеновского излучения, частоты которого в 100–10 000 раз превышают частоты, характерные для видимого света, и кванты которого имеют соответственно более высокую энергию. Открытие Планка служит основой всей волновой теории материи, имеющей дело с волновыми свойствами элементарных частиц и их комбинаций.

между характеристиками волны и частицы. Эта гипотеза подтвердилась, что сделало постоянную Планка универсальной физической константой. Ее роль оказалась гораздо более значительной, чем можно было бы предполагать с самого начала.

; h = 4,135 667 662(25) × 10 −15 эВ · .

Часто применяется величина ℏ ≡ h 2 π {\displaystyle \hbar \equiv {\frac {h}{2\pi }}} :

называемая редуцированной (иногда рационализированной или приведённой) постоянной Планка или постоянной Дирака . Применение этого обозначения упрощает многие формулы квантовой механики, так как в эти формулы традиционная постоянная Планка входит в виде деленной на константу 2 π {\displaystyle {2\pi }} .

Физический смысл

В квантовой механике импульс имеет физический смысл волнового вектора [ ] , энергия - частоты, а действие - фазы волны, однако традиционно (исторически) механические величины измеряются в других единицах (кг·м/с, Дж, Дж·с), чем соответствующие волновые (м −1 , с −1 , безразмерные единицы фазы). Постоянная Планка играет роль переводного коэффициента (всегда одного и того же), связывающего эти две системы единиц - квантовую и традиционную:

Если бы система физических единиц формировалась уже после возникновения квантовой механики и приспосабливалась для упрощения основных теоретических формул, константа Планка вероятно просто была бы сделана равной единице, или, во всяком случае, более круглому числу. В теоретической физике очень часто для упрощения формул используется система единиц с ℏ = 1 {\displaystyle \hbar =1} , в ней

Постоянная Планка имеет и простую оценочную роль в разграничении областей применимости классической и квантовой физики: она в сравнении с величиной характерных для рассматриваемой системы величин действия или момента импульса , или произведений характерного импульса на характерный размер, или характерной энергии на характерное время, показывает, насколько применима к данной физической системе классическая механика . А именно, если S {\displaystyle S} - действие системы, а M {\displaystyle M} - её момент импульса, то при S ℏ ≫ 1 {\displaystyle {\frac {S}{\hbar }}\gg 1} или M ℏ ≫ 1 {\displaystyle {\frac {M}{\hbar }}\gg 1} поведение системы с хорошей точностью описывается классической механикой. Эти оценки достаточно прямо связаны с соотношениями неопределённостей Гейзенберга .

История открытия

Формула Планка для теплового излучения

Формула Планка - выражение для спектральной плотности мощности излучения абсолютно чёрного тела, которое было получено Максом Планком для равновесной плотности излучения u (ω , T) {\displaystyle u(\omega ,T)} . Формула Планка была получена после того, как стало ясно, что формула Рэлея - Джинса удовлетворительно описывает излучение только в области длинных волн. В 1900 году Планк предложил формулу с постоянной (впоследствии названной постоянной Планка), которая хорошо согласовывалась с экспериментальными данными. При этом Планк полагал, что данная формула является всего лишь удачным математическим трюком, но не имеет физического смысла. То есть Планк не предполагал, что электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций энергии (квантов), величина которых связана с циклической частотой излучения выражением:

Коэффициент пропорциональности ħ впоследствии назвали постоянной Планка , ħ ≈ 1,054⋅10 −34 Дж·с .

Фотоэффект

Фотоэффект - это испускание электронов веществом под действием света (и, вообще говоря, любого электромагнитного излучения). В конденсированных веществах (твёрдых и жидких) выделяют внешний и внутренний фотоэффект.

Фотоэффект был объяснён в 1905 году Альбертом Эйнштейном (за что в 1921 году он, благодаря номинации шведского физика Озеена , получил Нобелевскую премию) на основе гипотезы Планка о квантовой природе света. В работе Эйнштейна содержалась важная новая гипотеза - если Планк предположил, что свет излучается только квантованными порциями, то Эйнштейн уже считал, что свет и существует только в виде квантованных порций. Из закона сохранения энергии, при представлении света в виде частиц (фотонов), следует формула Эйнштейна для фотоэффекта:

где A o u t {\displaystyle A_{out}} - т. н. работа выхода (минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из вещества), m v 2 2 {\displaystyle {\frac {mv^{2}}{2}}} - кинетическая энергия вылетающего электрона, ω {\displaystyle \omega } - частота падающего фотона с энергией ℏ ω , {\displaystyle \hbar \omega ,} ℏ {\displaystyle \hbar } - постоянная Планка. Из этой формулы следует существование красной границы фотоэффекта , то есть существование наименьшей частоты, ниже которой энергии фотона уже недостаточно для того, чтобы «выбить» электрон из тела. Суть формулы заключается в том, что энергия фотона расходуется на ионизацию атома вещества, то есть на работу, необходимую для «вырывания» электрона, а остаток переходит в кинетическую энергию электрона.

Эффект Комптона

Методы измерения

Использование законов фотоэффекта

При данном способе измерения постоянной Планка используется закон Эйнштейна для фотоэффекта:

где K m a x {\displaystyle K_{max}} - максимальная кинетическая энергия вылетевших с катода фотоэлектронов,

Измерение проводится так. Сначала катод фотоэлемента облучают монохроматическим светом с частотой ν 1 {\displaystyle \nu _{1}} , при этом на фотоэлемент подают запирающее напряжение, так, чтобы ток через фотоэлемент прекратился. При этом имеет место следующее соотношение, непосредственно вытекающее из закона Эйнштейна:

где e {\displaystyle e} -

Кроме того, что она удобна для использования в формулах квантовой механики, он имеет особое обозначение, ни с чем не спутаешь.
В системе СИ постоянная Планка имеет следующее значение:
Для расчетов в квантовой физике удобнее использовать значение сводной постоянной Планка, выраженное через электронвольт.
Макс Планк ввел свою постоянную для объяснения спектра излучения абсолютно черного тела, предположив, что тело излучает электромагнитные волны порциями (квантами) с энергией, пропорциональной частоте (h ?). В 1905 году Эйнштейн использовал это предположение для того, чтобы объяснить явление фотоэффекта, постулируя, что электромагнитные волны поглощаются порциями с энергией пропорциональной частоте. Так зародилась квантовая механика, в справедливости которой оба лауреаты Нобелевской премии сомневались всю жизнь.

Свет представляет собой форму лучистой энергии, которая распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. В 1900 году ученый Макс Планк – один из основоположников квантовой механики – предложил теорию, согласно которой лучистая энергия испускается и поглощается не непрерывным волновым потоком, а отдельными порциями, которые получили название квантов (фотонов).

Энергия, переносимая одним квантом, равна: E = hv, где v – частота излучения, а h – элементарный квант действия, представляющий собой новую универсальную константу, получившую вскоре название постоянная Планка (по современным данным h = 6,626 × 10 –34 Дж·с).

В 1913 году Нильс Бор создал стройную, хотя и упрощенную модель атома, согласующуюся с распределением Планка. Бор предложил теорию излучения, в основу которой положил следующие постулаты:

1. В атоме существуют стационарные состояния, находясь в котором атом не излучает энергию. Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны;

2. При переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую (из одного стационарного состояния в другое) излучается или поглощается квант энергии hν = ‌‌‌‌‌‌‌‌‌|E i – E n | , где ν – частота излучаемого кванта, E i – энергия состояния, из которого переходит, а E n – энергия состояния, в которое переходит электрон.

Если электрон под каким-либо воздействием переходит с орбиты, близкой к ядру на какую либо другую более удаленную, то энергия атома увеличивается, но что требуется затрата внешней энергии. Но такое возбужденное состояние атома малоустойчиво и электрон падает обратно по направлению к ядру на более близкую возможную орбиту.

А когда электрон перескакивает (падает) на орбиту, лежащую ближе к ядру атома, то потерянная атомом энергия переходит в один квант лучистой энергии, испускаемой атомом.

Соответственно, любой атом может излучать широкий спектр связанных между собой дискретных частот, который зависит от орбит электронов в составе атома.

Атом водорода состоит из протона и движущегося вокруг него электрона. Если электрон поглощает порцию энергии, то атом переходит в возбужденное состояние. Если же электрон отдает энергию, то атом переходит из более высокого в менее высокое энергетическое состояние. Обычно переходы из более высокого энергетического состояния в менее высокое сопровождаются излучением энергии в форме света. Однако, возможны также и безызлучательные переходы. В этом случае атом переходит в менее высокое энергетическое состояние без излучения света, а избыток энергии отдает, например, другому атому при их столкновении.

Если атом, переходя из одного энергетического состояния в другое, излучает спектральную линию с длиной волны λ, то, в соответствии со вторым постулатом Бора, излучается энергия Е равная: , где h - постоянная Планка; c - скорость света.

Совокупность всех спектральных линий, которые может излучать атом, называется его спектром испускания.

Как показывает квантовая механика, спектр атома водорода выражается формулой:

, где R – постоянная, называемая постоянной Ридберга; n 1 и n 2 числа, причем n 1 < n 2 .

Каждая спектральная линия характеризуется парой квантовых чисел n 2 и n 1 . Они указывают энергетические уровни атома соответственно до и после излучения.

При переходе электронов с возбужденных энергетических уровней на первый (n 1 = 1; соответственно n 2 = 2, 3, 4, 5…) образуется серия Лаймана .Все линии серии Лаймана находятся в ультрафиолетовом диапазоне.

Переходы электронов с возбужденных энергетических уровней на второй уровень (n 1 = 2; соответственно n 2 = 3,4,5,6,7…) образуют серию Бальмера . Первые четыре линии (то есть при n 2 = 3, 4, 5, 6) находятся в видимом спектре, остальные (то есть при n 2 = 7, 8, 9) в ультрафиолетовом.

То есть, видимые спектральные линии этой серии получаются, если электрон перескакивает на второй уровень (вторую орбиту): красная – с 3-ей орбиты, зеленая – с 4-ой орбиты, синяя – с 5-ой орбиты, фиолетовая – с 6-ой орбиты.

Переходы электронов с возбужденных энергетических уровней на третий (n 1 = 3; соответственно n 2 = 4, 5, 6, 7…) образуют серию Пашена . Все линии серии Пашена расположены в инфракрасном диапазоне.

Переходы электронов с возбужденных энергетических уровней на четвертый (n 1 = 4; соответственно n 2 = 6, 7, 8…) образуют серию Брэккета. Все линии серии находятся в далёком инфракрасном диапазоне.

Также в спектральных сериях водорода выделяют серии Пфунда и Хэмпфри.

Наблюдая линейчатый спектр атома водорода в видимой области (серию Бальмера) и измеряя длину волны λ спектральных линий этой серии, можно определить постоянную Планка.

В системе СИ расчетная формула для нахождения постоянной Планка при выполнении лабораторной работы примет вид:

,

где n 1 = 2 (серия Бальмера); n 2 = 3, 4, 5, 6.

= 3,2 × 10 -93

λ – длина волны (нм )

Постоянная Планка фигурирует во всех уравнениях и формулах квантовой механики. Она, в частности, определяет масштабы, начиная с которых вступает в силу принцип неопределенности Гейзенберга . Грубо говоря, постоянная Планка указывает нам нижний предел пространственных величин, после которого нельзя не принимать во внимание квантовые эффекты. Для песчинок, скажем, неопределенность произведения их линейного размера на скорость настолько незначительна, что ею можно пренебречь. Иными словами, постоянная Планка проводит границу между макромиром, где действуют законы механики Ньютона, и микромиром, где вступают в силу законы квантовой механики. Будучи получена всего лишь для теоретического описания единичного физического явления, постоянная Планка вскоре стала одной из фундаментальных констант теоретической физики, определяемых самой природой мироздания.

Работа может выполняться как на лабораторной установке, так и на компьютере.