Постоянная планка фотоэффект. Планка постоянная

В данной статье на основе фотонной концепции раскрывается физическая сущность “фундаментальной константы” постоянной Планка. Приводятся аргументы, показывающие, что постоянная Планка это типовой параметр фотона, являющийся функцией его длины волны.

Введение. Конец ХIХ – начало ХХ веков ознаменовались кризисом теоретической физики , обусловленный неспособностью методами классической физики обосновать ряд проблем, одной из которых была “ультрафиолетовая катастрофа”. Суть данной проблемы состояла в том, что при установлении закона распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела методами классической физики спектральная плотность энергии излучения должна была неограниченно расти по мере сокращения длины волны излучения. По сути, эта проблема показала если не внутреннюю противоречивость классической физики, то, во всяком случае, крайне резкое расхождение с элементарными наблюдениями и экспериментом.

Исследования свойств излучения абсолютно чёрного тела , проходившие в течение почти сорока лет (1860-1900), завершились выдвижением гипотезы Макса Планка о том, что энергия любой системы Е при излучении или поглощении электромагнитного излучения частоты ν {\displaystyle ~\nu } может измениться только на величину, кратную энергии кванта :

Е γ = hν {\displaystyle ~E=h\nu } . (1){\displaystyle ~h}

Коэффициент пропорциональности h в выражении (1) вошел в науку под названием «Планка постоянная», став основной константой квантовой теории .

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 .

Дальнейшее развитие квантовых идей Планка – обоснование фотоэффекта с помощью гипотезы световых квантов (А. Эйнштейн, 1905), постулат в теории атома Бора квантование момента импульса электрона в атоме (Н. Бор, 1913), открытие соотношения де Бройля между массой частицы и ее длиной волны (Л. Де Бройль, 1921), а затем создание квантовой механики (1925 – 26) и установление фундаментальных соотношений неопределенности между импульсом и координатой и между энергией и временем (В. Гейзенберг, 1927) привело к установлению фундаментального статуса постоянной Планка в физике .

Этой точки зрения придерживается и современная квантовая физика : “В дальнейшем нам станет ясно, что в формуле Е / ν = h выражен фундаментальный принцип квантовой физики, а именно имеющая универсальный характер связь между энергией и частотой: Е = hν. Эта связь полностью чужда классической физике, и мистическая константа h есть проявление не постигнутых в то время тайн природы ”.

Вместе с тем был и альтернативный взгляд на постоянную Планка : “Учебники по квантовой механике говорят, что классическая физика – это физика в которой h равняется нулю. А на самом деле постоянная Планка h – это не что иное, как величина, фактически определяющая понятие хорошо известное в классической физике гироскопа. Втолкование адептам, штудирующим физику, что h ≠ 0 — это чисто квантовое явление, не имеющее своего аналога в классической физике, было одним из основных элементов, направленных на укрепление убеждения о необходимости квантовой механики.”

Таким образом, взгляды физиков теоретиков на постоянную Планка разделились. С одной стороны, наблюдается ее исключительность и мистификация, а с другой, попытка дать физическое толкование, не выходящее за рамки классической физики. Такое положение сохраняется в физике и в настоящее время, и будет сохраняться до тех пор, пока не будет установлена физическая сущность этой постоянной.

Физическая сущность постоянной 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 , однако, обосновать физическую сущность постоянной h он не смог. Раскрытие физических сущностей каких-либо явлений не свойственно квантовой механике : “ Причиной кризисного положения в конкретных областях науки является общая неспособность современной теоретической физики разобраться в физической сути явлений, вскрыть внутренний механизм явлений, структуры материальных образований и полей взаимодействия, понять причинно-следственные связи между элементами, явлениями.” Поэтому кроме мифологии в данном вопросе она представить больше ничего не могла. В целом, эти взгляды отражены в работе : “Постоянная Планка h как физический факт означает существование наименьшего, не уменьшаемого и не стягиваемого к нулю конечного количества действия в природе. Как ненулевой коммутатор для любой пары динамической и кинематической величин, образующих своим произведением размерность действия, постоянная Планка порождает свойство некоммутативности для этих величин, которое в свою очередь является первичным и неустранимым источником неизбежно вероятностного описания физической реальности в любых пространствах динамики и кинематики. Отсюда – универсальность и всеобщность квантовой физики.”

В отличие от представлений адептов квантовой физики на природу постоянной Планка их оппоненты были более прагматичны. Физический смысл их представлений сводился к “вычислению методами классической механики величины главного момента импульса электрона P e (момента импульса связанного с вращением электрона вокруг собственной оси) и получение математического выражения постоянной Планка «h » через известные фундаментальные константы.” Из чего обосновывалась физическая сущность : “постоянная Планка «h » равна величине классического главного момента импульса электрона (связанного с вращением электрона вокруг собственной оси), умноженной на 4 p . ”

Ошибочность этих взглядов заключается в непонимании природы элементарных частиц и истоков появления постоянной Планка. Электрон это структурный элемент атома вещества, имеющий свое функциональное назначение – формирование физико-химических свойств атомов вещества. Поэтому выступать в качестве переносчика электромагнитного излучения он никак не может, т. е. гипотеза Планка о переносе энергии квантом к электрону неприменима.

Для обоснования физической сущности постоянной Планка рассмотрим эту проблему в историческом аспекте. Из выше изложенного следует, что решением проблемы “ультрафиолетовой катастрофы” стала гипотеза Планка о том, что излучение абсолютно черного тела происходит порционно, т. е. квантами энергии. Многие физики того времени предполагали изначально, что квантование энергии есть результат какого-то неизвестного свойства материи, поглощающей и излучающей электромагнитные волны. Однако, уже в 1905 г. Эйнштейн развил идею Планка, предположив, что квантование энергии - свойство самого электромагнитного излучения. Исходя из гипотезы световых квантов он объяснил ряд закономерностей фотоэффекта, люминесценции, фотохимических реакций .

Справедливость гипотезы Эйнштейна была экспериментально подтверждена исследованием фотоэффекта Р. Милликеном (1914 -1916 г.г.) и исследованиями рассеяния рентгеновских лучей электронами А. Комптоном (1922 — 1923 г.г.). Таким образом, стало возможным рассматривать световой квант как элементарную частицу, подчиняющуюся тем же кинематическим законам, что и частицы вещества .

В 1926 г. Льюис предложил для этой частицы термин “фотон”, который и был принят в обиход научной общественностью. Согласно современным понятиям фотон — элементарная частица , квант электромагнитного излучения. Масса покоя фотона m g равна нулю (экспериментальное ограничение m g <5 . 10 -60 г), и поэтому его скорость равна скорости света . Электрический заряд фотона также равен нулю .

Если фотон это квант (переносчик) электромагнитного излучения, то его электрический заряд никак не может быть равен нулю. Противоречивость данного представления фотона стала одной из причин непонимания физической сущности постоянной Планка.

Неразрешимое обоснование физической сущности постоянной Планка в рамках существующих физических теорий позволяет преодолеть эфиродинамическая концепция, развиваемая В.А Ацюковским .

В эфиродинамических моделях элементарные частицы трактуются как замкнутые вихревые образования (кольца), в стенках которых эфир существенно уплотнён, а элементарные частицы, атомы и молекулы, - это конструкции, объединяющие такие вихри. Существование кольцевого и винтового движений соответствует наличию у частиц механического момента (спина), направленного вдоль оси его свободного движения.

Согласно данной концепции структурно фотон представляет собой замкнутый тороидальный вихрь с кольцевым движением тора (как колеса) и винтовым движением внутри него. Источником генерации фотонов является протон-электронная пара атомов вещества. В результате возбуждения, вследствие симметричности своей структуры, каждая протон-электронная пара генерирует два фотона. Экспериментальным подтверждением этому является процесс аннигиляции электрона и позитрона .

Фотон это единственная элементарная частица, которая характеризуется тремя видами движений: вращательное движение вокруг собственной оси вращения, прямолинейное движение в заданном направлении и вращательное движение с некоторым радиусом R относительно оси прямолинейного движения. Последнее движение трактуется как движение по циклоиде . Циклоида это периодическая функция по оси абсцисс, с периодом 2π R {\displaystyle 2\pi r}/…. У фотона период циклоиды трактуется как длина волны λ , которая является аргументом всех остальных параметров фотона.

С другой стороны длина волны является также одним из параметром электромагнитного излучения : распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля . Для которого длина волны это расстояние между двумя ближайшими друг к другу точками в пространстве, в которых колебания происходят в одинаковой фазе .

Из чего следует существенное различие в понятиях длины волны для фотона и электромагнитного излучения в целом.

У фотона длина волны и частота связаны соотношением

ν = u γ / λ, (2)

где u γ – скорость прямолинейного движения фотона.

Фотон это понятие относящееся к семейству (множеству) элементарных частиц, объединенных общими признаками существования. Каждый фотон характеризуется своим определенным набором характеристик, одной из которых является длина волны. При этом, учитывая взаимозависимость этих характеристик друг от друга, на практике стало удобным представлять характеристики (параметры) фотона как функции одной переменной. В качестве независимой переменной была определена длина волны фотона.

Известно значение u λ = 299 792 458 ± 1,2 / , определенное как скорость света . Это значение было получено К. Ивенсоном и его сотрудниками в 1972 по цезиевому стандарту частоты СН 4 -лазера, а по криптоновому стандарту частоты — его длина волны (ок. 3,39 мкм). Таким образом, формально скорость света определяется как прямолинейная скорость движения фотонов длиной волны λ = 3,39 10 -6 м. Теоретически {\displaystyle 2\pi r}/… установлено, что скорость движения (прямолинейного) фотонов величина переменная и нелинейная, т.е. u λ = f( λ). Экспериментальным подтверждением этому являются работы, связанные с исследованием и разработкой лазерных стандартов частоты {\displaystyle 2\pi r}/…. Из результатов этих исследований следует, что все фотоны, у которых λ < 3,39 10 -6 м движутся быстрее скорости света. Предельной скоростью фотонов (гамма диапазона) является вторая звуковая скорость эфира 3 10 8 м/с {\displaystyle 2\pi r}/….

Эти исследования позволяют сделать еще один существенный вывод о том, что изменение скорости движения фотонов в области их существования не превышает величины ≈ 0,1 %. Такое относительно небольшое изменение скорости фотонов в области их существования позволяет говорить о скорости фотонов, как о квазипостоянной величине.

Фотон это элементарная частица, неотъемлемыми свойствами которой являются масса и электрический заряд. Экспериментами Эренгафта доказано, что электрический заряд фотона (субэлектрона) имеет непрерывный спектр, а из экспериментов Милликена следует, что для фотона рентгеновского диапазона, длиной волны ориентировочно 10 -9 м, величина электрического заряда равна 0,80108831 Кл {\displaystyle 2\pi r}/….

Согласно первому материализованному определению физической сущности электрического заряда : “элементарный электрический заряд пропорционален массе, распределенной на сечении элементарного вихря “ следует обратное утверждение, что масса распределенная на сечении вихря пропорциональна электрическому заряду. Исходя из физической сущности электрического заряда следует, что масса фотона также имеет непрерывный спектр. На основании структурного подобия элементарных частиц протона, электрона и фотона, значения массы и радиуса протона (соответственно, m p = 1.672621637(83)·10 -27 кг, r p = 0,8751 10 -15 м {\displaystyle 2\pi r}/…), а также при допущении равенства плотности эфира в данных частицах масса фотона оценивается величиной 10 -40 кг, а его радиус круговой орбиты 0,179◦10 −16 м, радиус тела фотона(внешний радиус тора) предположительно находится в диапазоне 0,01 – 0,001 радиуса круговой орбиты, т. е. порядка 10 -19 – 10 -20 м.

Исходя из представлений о множественности фотонов и зависимости параметров фотона от длины волны, а также из экспериментально подтвержденных фактов непрерывности спектра электрического заряда и массы можно полагать, что e λ , m λ = f ( λ ) , которые имеют характер квазипостоянных.

Исходя из вышеизложенного можно говорить, что выражение (1) устанавливающее взаимосвязь энергии любой системы при излучении или поглощении электромагнитного излучения частотой ν {\displaystyle ~\nu } есть не что иное как взаимосвязь между энергией фотонов, излучающихся или поглощающихся телом и частотой (длиной волны) этих фотонов. А постоянная Планка это коэффициент взаимосвязи. Такое представление взаимосвязи энергии фотона и его частоты снимает с постоянной Планка значение ее универсальности и фундаментальности. В данном контексте постоянная Планка становится одним из параметров фотона, зависимым от длины волны фотона.

Для полного и достаточного доказательства этого утверждения рассмотрим энергетический аспект фотона. Из экспериментальных данных известно, что фотон характеризуется энергетическим спектром , имеющим нелинейную зависимость: для фотонов инфракрасного диапазона Е λ = 0,62 эВ для λ = 2 10 -6 м, рентгеновского Е λ = 124 эВ для λ = 10 -8 м, гамма-диапазона Е λ = 124000 эВ для λ = 10 -11 м. Из характера движения фотона следует, что полная энергия фотона состоит из кинетической энергии вращения вокруг собственной оси, кинетической энергии вращения по круговой траектории (циклоиде) и энергии прямолинейного движения:

E λ = E 0 λ + E 1 λ + E 2 λ , (3)

где E 0 λ = m λ r 2 γ λ ω 2 γ λ — кинетическая энергии вращения вокруг собственной оси,

E 1 λ = m λ u λ 2 — энергия прямолинейного движения, E 2 λ = m λ R 2 λ ω 2 λ — кинетическая энергия вращения по круговой траектории, где r γ λ — радиус тела фотона, R γ λ — радиус круговой траектории, ω γ λ – собственная частота вращения фотона вокруг оси, ω λ = ν — круговая частота вращения фотона, m λ – масса фотона.

Кинетическая энергия движения фотона по круговой орбите

E 2 λ = m λ r 2 λ ω 2 λ = m λ r 2 λ (2π u λ / λ) 2 = m λ u λ 2 ◦ (2π r λ / λ) 2 = E 1 λ ◦ (2π r λ / λ) 2 .

E 2 λ = E 1 λ ◦ (2π r λ / λ) 2 . (4)

Выражение (4) показывает, что кинетическая энергия вращения по круговой траектории, составляет часть энергии прямолинейного движения зависящего от радиуса круговой траектории и длины волны фотона

(2π r λ / λ) 2 . (5)

Оценим эту величину. Для фотонов инфракрасного диапазона

(2π r λ / λ) 2 =(2π 10 -19 м /2 10 -6 м) 2 = π 10 -13 .

Для фотонов гамма-диапазона

(2π r λ / λ) 2 =(2π 10 -19 м /2 10 -11 м) 2 = π 10 -8 .

Таким образом, во всей области существования фотона его кинетическая энергия вращения по круговой траектории значительно меньше энергии прямолинейного движения и ею можно пренебречь.

Оценим энергию прямолинейного движения.

E 1 λ = m λ u λ 2 = 10 -40 кг (3 10 8 м/с) 2 =0,9 10 -23 кг м 2 /с 2 = 5,61 10 -5 эВ.

Энергия прямолинейного движения фотона в балансе энергий (3) значительно меньше полной энергии фотона, например, в области инфракрасного диапазона (5,61 10 -5 эВ < 0,62 эВ), что указывает на то, что полная энергия фотона фактически определяется собственной кинетической энергией вращения вокруг оси фотона.

Таким образом, ввиду малости энергий прямолинейного движения и движения по круговой траектории можно говорить о том, что энергетический спектр фотона состоит из спектра собственных кинетических энергий вращения вокруг оси фотона.

Следовательно, выражение (1) можно представить как

Е 0 λ = hν ,

т.е.{\displaystyle ~E=h\nu }

m λ r 2 γ λ ω 2 γ λ = h ν . (6)

h = m λ r 2 γ λ ω 2 γ λ / ν = m λ r 2 γ λ ω 2 γ λ / ω λ . (7)

Выражение (7) можно представить в следующем виде

h = m λ r 2 γ λ ω 2 γ λ / ω λ = (m λ r 2 γ λ) ω 2 γ λ / ω λ = k λ (λ) ω 2 γ λ / ω λ .

h = k λ (λ) ω 2 γ λ / ω λ . (8)

Где k λ (λ) = m λ r 2 γ λ некоторая квазипостоянная.

Оценим значения собственных частот вращения фотонов вокруг оси: например,

для λ = 2 10 -6 м (инфракрасный диапазон)

ω 2 γ i = Е 0i / m i r 2 γ i = 0,62 ·1,602 ·10 −19 Дж / (10 -40 кг 10 -38 м 2)= 0,99 1059 с -2 ,

ω γ i = 3,14 10 29 об/с.

для λ = 10 -11 м (гамма-диапазон)

ω γ i = 1,4 10 32 об/с.

Оценим отношение ω 2 γ λ / ω λ для фотонов инфракрасного и гамма диапазонов. После подстановки выше указанных данных получим:

для λ = 2 10 -6 м (инфракрасный диапазон) — ω 2 γ λ / ω λ = 6,607 10 44 ,

для λ = 10 -11 м (гамма-диапазон) — ω 2 γ λ / ω λ = 6,653 10 44 .

Т. е. выражение (8) показывает, что отношение квадрата частоты собственного вращения фотона к вращению по круговой траектории есть величина квазипостоянная для всей области существования фотонов. При этом, значение частоты собственного вращения фотона в области существования фотона изменяется на три порядка. Из чего следует, что постоянная Планка носит характер квазипостоянной.

Преобразуем выражение (6) следующим образом

m λ r 2 γ λ ω γ λ ω γ λ = h ω λ .

М = h ω λ / ω γ λ , (9)

где М = m λ r 2 γ λ ω γ λ — собственный гироскопический момент фотона.

Из выражения (9) следует физическая сущность постоянной Планка: постоянная Планка это коэффициент пропорциональности, устанавливающий взаимосвязь между собственным гироскопическим моментом фотона и отношением частот вращения (по круговой траектории и собственной) , имеющий характер квазипостоянной во всей области существования фотона.

Преобразуем выражение (7) следующим образом

h = m λ r 2 γ λ ω 2 γ λ / ω λ = m λ r 2 γ λ m λ r 2 γ λ R 2 λ ω 2 γ λ / (m λ r 2 γ λ R 2 λ ω λ) =

= (m λ r 2 γ λ ω γ λ) 2 R 2 λ / (m λ R 2 λ ω λ r 2 γ λ) =M 2 γ λ R 2 λ / M λ r 2 γ λ ,

h = (M 2 γ λ / M λ) (R 2 λ / r 2 γ λ),

h ( r 2 γ λ /R 2 λ),= (M 2 γ λ / M λ) (10)

Выражение (10) также показывает, что отношение квадрата собственного гироскопического момента фотона к гироскопическому моменту движения по круговой траектории (циклоиде) есть величина квазипостоянная во всей области существования фотона и определяется выражением h ( r 2 γ λ /R 2 λ).

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 :

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.

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)*10 -34 Дж*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 nm - 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.

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 = bk. Тогда b = h/k и формулу (3) можно переписать в виде

Новая постоянная h и представляет собой постоянную Планка; вычисленное Планком ее значение составило 6,55Ч10-34 ДжЧс, 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.
См. также
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ;
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. Из теории Максвелла известно, что пучок света с энергией Е несет импульс р, равный

Где с - скорость света. Если кванты света рассматривать как частицы, каждая из которых имеет энергию hn, то естественно предположить наличие у каждой из них импульса p, равного hn/c. Фундаментальное соотношение, связывающее длину волны l с частотой n и скоростью света с, имеет вид

Так что выражение для импульса можно записать в виде h/l. В 1923 аспирант Л.де Бройль высказал предположение, что не только свету, но и всем формам материи свойствен корпускулярно-волновой дуализм, выражающийся в соотношениях

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.
ЛИТЕРАТУРА
Квантовая метрология и фундаментальные константы. М., 1973 Шепф Х.-Г. От Кирхгофа до Планка. М., 1981

Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .

Смотреть что такое "ПЛАНКА ПОСТОЯННАЯ" в других словарях:

- (квант действия) основная постоянная квантовой теории (см. Квантовая механика), названа по имени М. Планка. Планка постоянная h ??6,626.10 34 Дж.с. Часто применяется величина. = h/2????1,0546.10 34 Дж.с, которую также называют Планка постоянная … Большой Энциклопедический словарь

- (квант действия, обозначается h), фундаментальная физ. константа, определяющая широкий круг физ. явлений, для к рых существенна дискретность величин с размерностью действия (см. КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА). Введена нем. физиком М. Планком в 1900 при… … Физическая энциклопедия

- (квант действия), основная постоянная квантовой теории (см. Квантовая механика). Названа по имени М. Планка. Планка постоянная h≈6,626·10 34 Дж·c. Часто применяется величина h = h/2π≈1,0546·10 34 Дж·с, также называется Планка постоянной. * * *… … Энциклопедический словарь

Постоянная Планка (квант действия) основная константа квантовой теории, коэффициент, связывающий величину энергии электромагнитного излучения с его частотой. Также имеет смысл кванта действия и кванта момента импульса. Введена в научный обиход М … Википедия

Квант действия (См. Действие), фундаментальная физическая постоянная (См. Физические постоянные), определяющая широкий круг физических явлений, для которых существенна дискретность действия. Эти явления изучаются в квантовой механике (См … Большая советская энциклопедия

- (квант действия), осн. постоянная квантовой теории (см. Квантовая механика). Названа по имени М. Планка. П. п. h 6,626*10 34 Дж*с. Часто применяется величина Н = h/2ПИ 1,0546*10 34 Дж*с, также наз. П. п … Естествознание. Энциклопедический словарь

Фундаментальная физ. постоянная, квант действия, имеющий размерность произведения энергии на время. Определяет физ. явления микромира, для к рых характерна дискретность физ. величин с размерностью действия (см. Квантовая механика). По величине… … Химическая энциклопедия

Одна из абсолютных физич. констант, имеющая размерность действия (энергия X время); в системе CGS П. п. hравна (6,62377 + 0,00018). 10 27 эрг x сек (+0,00018 возможная погрешность в измерении). Впервые была введена М. Планком (М. Planck, 1900) в… … Математическая энциклопедия

Квант действия, одна из осн. постоянных физики, отражает специфику закономерностей в микромире и играет фундаментальную роль в квантовой механике. П. п. h (6,626 0755 ± 0,000 0040)*10 34 Дж*с. Часто пользуются величиной Л = й/2я = (1,054 572 66 ± … Большой энциклопедический политехнический словарь

Планка постоянная (квант действия) - одна из фундаментальных мировых постоянных (констант), играющая определяющую роль в микромире, проявляющуюся в существовании дискретных свойств у микрообъектов и их систем, выражаемых целочисленными квантовыми числами, за исключением полуцелых… … Начала современного естествознания

Книги

• Вселенная и физика без "темной энергии" (открытия, идеи, гипотезы). В 2 томах. Том 1 , О. Г. Смирнов. Книги посвящены проблемам физики и астрономии, существующим в науке десятки и сотни лет от Г. Галилея, И. Ньютона, А. Эйнштейна до наших дней. Мельчайшие частицы материи и планеты, звезды и…

; 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 }} .

16 ноября 2018 года на заседании 26 Генеральной Конференции Мер и Весов были приняты изменения определений основных единиц СИ , предложенные в 2018 году Международным комитетом мер и весов . Новые определения СИ вступили в силу 20 мая 2019 . В соответствии с резолюцией XXVI ГКМВ постоянная Планка ℎ в точности равна 6,626 070 15⋅10 −34 кг·м 2 ·с −1

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} -