SI egységek | joule másodperc (Js) |
---|---|
Dimenzió | M · L 2 · T -1 |
Természet | Skaláris mennyiség |
Szokásos szimbólum | |
Link más méretekhez |
|
Érték | h = 6,626 070 15 × 10 −34 J s |
A fizika , Planck-állandó , jelöljük , más néven a „ cselekvés kvantum ” bevezetése óta a kvantumelmélet , a fizikai konstans , hogy ugyanaz a dimenzió az energia szorozva egy időtartamot.
A nevét Max Planck fizikus kapta , központi szerepet játszik a kvantummechanikában, mert ez az alapvető arányossági együttható, amely a foton energiáját a frekvenciájához ( ), a lendületét pedig a hullámszámához kapcsolja ( ), vagy általában véve diszkrét. korpuszkuláris típusú tulajdonságok folyamatos hullám típusú tulajdonságokkal.
Az értéke, amelyet 2019. május 20. óta egyezmény rögzített , ma már a kilogramm meghatározásának alapja .
Ezt az állandót kezdetben Max Planck vezette be a fekete test sugárzásának tanulmányozása során , mint az elektromosan töltött oszcillátor minimális E energiabővülése és a hozzá tartozó elektromágneses hullám f frekvenciája közötti arányossági arányt . Ezt követően, 1905-ben, ezt az energia kvantált növekedését Albert Einstein összekapcsolta az elektromágneses hullám egy kvantumával , ez a világító kvantum néha úgy viselkedik, mint egy elektromosan semleges részecske, és nem úgy, mint egy elektromágneses hullám. Ezt a kvantumot végül fotonnak hívták . A Planck és Einstein által így bemutatott összefüggés összekapcsolja a foton E energiáját f vagy frekvenciájával ω:
E=hf=ℏ ω.{\ displaystyle E = hf = \ hbar \ \ omega.}A szóban forgó energia, amely a látható fény fotonjára 4 × 10 −19 J nagyságrendű, rendkívül kicsi a napi energiák nagyságrendjeihez képest.
Az energia számszerűsítése sok esetben azt jelenti, hogy csak bizonyos energiaszintek megengedettek, és a köztes értékeket nem lehet elérni.
Ez az állandó kulcsfontosságú szerepet játszott a hidrogénatom modelljében, amelyet 1913-ban javasoltak, és ma Bohr-modellként ismerik annak a spektrális vonalnak a jelenlétét magyarázva, amely tükrözi azt a tényt, hogy az elektron mozgási frekvenciái a központi mag körül nem önkényesek, és ahogyan a megfelelő energia is tökéletesen meghatározott. Niels Bohr elismeri, hogy az álló pályán lévő elektron nem képes sugárzást kibocsátani, ellentétben a klasszikus elektromágneses elmélettel. Feltételezte, hogy melyik vált Bohr kvantálásának első feltételévé, nevezetesen azt, hogy a lendület teljes pályán történő működése a (Planck-állandó) egész számának többszöröse . Ezt az elképzelést "Planck quantum hypothesis" néven is ismerik. Nekünk van
∮mvds=nemh=2nemπℏ.{\ displaystyle \ kenés mv \, \ mathrm {d} s = nh = 2n \ pi \ hbar \;.} Planck felfedezését követően felismerték, hogy általában egy fizikai rendszer cselekvése semmilyen értéket nem vehet fel, de egy olyan kvantummal is meghatározták, amelyet ma Planck állandójának neveznek . Ez a megközelítés megfelel a kvantummechanika első értelmezésének , amelyet Bohr és Sommerfeld dolgozott ki , amelyre részecskék léteznek és pályájuk van, de rejtett változóik is vannak, amelyeket a kvantummechanika törvényei korlátoznak. Ez az értelmezés már elavult, helyébe egy olyan megközelítés lép, ahol a pálya fogalma már nem létezik, és ahol az összes részecskét egy térben és időben kiterjedő hullámfüggvény képviseli : ez a megközelítés nem engedi tovább meghatározni a klasszikus értelemben vett cselekvést . a kifejezés.Általánosabban, 1924-ben De Broglie hipotézise a hullám-részecske kettősség általánosítja ezt kapcsolatos bármely részecske (és nem csak a foton) viszonyítva lendület egy részecske és hullámhossz egy egyszerű egyenlet:
λ=h o.{\ displaystyle \ lambda = {h \ over \ p} \;.}} Ez a hipotézis rövid idő múlva kísérletileg megerősítést nyer, ezzel megalapozva a kvantummechanikát.De Broglie hipotézis vezetett Erwin Schrödinger javasolni 1925-ben, hogy az evolúció egy részecske tömege m egy potenciális energia mezőt írja le egy hullám funkciót , amely társítja minden egyes pont a térben egy számot komplex (elemezhető egy modulusz és egy fázis), és amely kielégíti a következő egyenletet:
énℏ∂∂tψ=-ℏ22m∇→2ψ+Vψ.{\ displaystyle i \ hbar {\ részleges \ felett \ részleges t} \ psi = - {\ hbar ^ {2} \ 2m felett} {\ vec {\ nabla}} ^ {2} \ psi + V \ psi \; .}A normalizált hullámfüggvény amplitúdója valószínűségeloszlás: a hullámfüggvény négyzete adja meg a részecske jelenlétének mérési valószínűségét a pontban ; a kvantumfázis pedig tiszta forgás a komplex síkban, amelynek forgási gyakorisága a részecske mozgási energiájától függ .
Ha például a részecske Hamilton-féle nem kifejezetten függ az időtől, a hullámfüggvény a tér és az idő függvényévé bontható . A változók elválasztásával történő felbontás azt mutatja, hogy az egyenlet ekkora alakú:
val velEzért sok esetben a kvantummechanika , akkor természetes, hogy beszélünk a körfrekvencia , mint a frekvencia maga , vagyis, hogy kifejezze a frekvenciát radián per másodperc , és nem a hertz (amely megfelel a fordulatszám a fázis a reciprok térben). Ezekben a képletekben leggyakrabban hasznos elnyelni a 2π faktort magában az állandóban, ami a redukált Planck- konstans (vagy Dirac-konstans ) használatához vezet, amely megegyezik a Planck-konstans 2π-vel osztott értékével és megjegyzi (h-bar):
Ezután egy ω = 2π f szögfrekvenciájú foton energiáját írjuk fel:
Hasonlóképpen, a szögimpulzus ezután a hullámszámhoz kapcsolódik :
Ez a két összefüggés a kvadrivektorokra vonatkozó speciális relativitási képlet időbeli és térbeli összetevője :
Annak 26 -én ülést november 16-án 2018-ban az Általános Súly- és Mértékügyi Konferencia (GFCM) úgy döntött, hogy a május 20-i 2019 a Nemzetközi Mértékegység Rendszer (SI), Planck-állandó, h , szigorúan egyenlő a
h = 6,626 070 15 × 10 −34 J sezt annak érdekében, hogy meghatározzuk a kilogrammot ebből az állandóból.
A társított mennyiség a „csökkentett Planck-állandó” vagy „ Dirac- állandó ”, amelyet noted jelöltek és „h bar” -nak ejtettek:
A 2019-es reform előtt a h értékét kiszámították más fizikai állandókból, például az alábbiak szerint:
hol van az elektron elemi töltése, a proton tömege, az elektron tömege, a vákuum permittivitása és a fény sebessége.
A dimenzióanalízisben Planck állandója homogén egy cselekvéssel szemben . Dimenziója ML 2 T –1 . A konstans kezdeti megfogalmazásában az energia ( joule-ban ) és a frekvencia ( hertz ), tehát az M · L 2 · T −1 dimenzió arányaként jelenik meg . Planck állandójának tehát az energia méretei szorozva vannak az idővel . Az is lehetséges, hogy ezeket az egységeket impulzusszámként megosszuk a hosszúsággal.
A redukált konstans a maga részéről az energia (joule-ban) szögfrekvenciának (radian / másodperc) arányában jelenik meg, ezért kg ⋅ m 2 ⋅ s −1 ⋅ rad −1 -ben fejeződik ki . Az egységek azonossága ellenére azonban fizikailag nem szögimpulzus , amelynek álvektor jellege van, és amelynek forgási sebességgel való szorzása kinetikus forgási energiát ad . Az az állandó, amellyel az energiát ( 1 0 orientációs skalár ) elosztjuk, hogy megtaláljuk a kvantumfázis egyenértékű forgási sebességét .
2019. május 20. óta Planck állandója egyezmény szerint rögzül, pontosan 6,626 070 15 × 10 −34 kg m 2 s −1 (vagy J ⋅s) értékre.
A CGPM általi rögzítése előtt ez volt az egyik fizikai állandó, amelynél a bizonytalanság a legnagyobb, 1,2 × 10 −8 relatív bizonytalanság (ebben a tekintetben csak Boltzmann állandója (5,7 × 10 −7) ) és a gravitációs állandó (4,6 × 10 −5 ), és természetesen a kozmológiai állandó nagyrészt versenytől eltekintve). Ez a bizonytalanság Planck állandójánál viszont bizonytalansági tényező volt más fizikai állandókkal szemben, amelyek meghatározásában beavatkozik:
Elméletileg Planck állandója kiszámítható egy fekete test emissziós spektrumából , és ezek a fizikai adatok szolgáltatják a Planck első becslését.
A legpontosabb mérések jelenleg a Kibble-mérlegen alapulnak (korábban watt-egyensúlynak hívták, ez magában foglalja az elektron állandóit, és feltételezi, hogy a Josephson-effektusról és a teljes kvantum Hall-hatásról szóló elmélet helyes), valamint a egy kristály sűrűsége röntgendiffrakcióval (amely magában foglalja az Avogadro számot ). A mérés nehézségét szemlélteti, hogy ez a két módszer nem ad kompatibilis eredményeket anélkül, hogy meg lehetne állapítani, hogy a kettő közül melyik a vártnál kevésbé pontos.
Planck állandójának pontos mérésének egyik kihívása az volt, hogy képes legyen megadni a kilogrammnak olyan meghatározást, amely már nem függ egy műtől, a régi standard kilogrammtól, amelyet a Pavillon de Breteuil- nál tartottak . Amennyiben ennek a szabványnak a megőrzésével kapcsolatos bizonytalanság fokozatosan növekszik, mint a Planck-konstansé, pontosabbá válik egy kilogramm tömegének a Planck-állandó konvencionálisan rögzített értékéből történő mérése (mint ez már a fénysebesség ) a fenti módszerek bármelyikével. Ez most 2019 májusa óta van így.
A kvantumfizika a következő elv alapján vezethető le: nincs olyan fizikai rendszer, amely kevesebb megfigyelést mutatna, mint két megfigyelés között. Onnan tudjuk mutatni, hogy két megfigyelés között elválasztva időintervallum Δ t , a megfigyelt cselekvés változása mindig nagyobb, mint a termék az energia változását E szerint az idő változása ellenőriznie kell
ΔE⋅Δt≥ℏ2.{\ displaystyle \ Delta E \ cdot \ Delta t \ geq {\ hbar \ over 2} \;.} Ez ugyanaz lesz minden pár fizikai nagyságát, amelynek terméke az alábbi méretekkel rendelkezik egy akció , a M · L 2 · T -1 , mint a pozíció és a lendület .Bármely állandó számértéke attól az egységrendszertől függ, amelyben kifejezik. A nemzetközi mértékegység-rendszerben Planck állandója az egyik legkisebb számérték, amely a fizikában megjelenik. Ez azt a tényt tükrözi, hogy "emberi léptékben", ahol az energiákat tipikusan kilojoule-ban, az időket pedig másodpercekben vagy órákban számolják, a hatás kvantuma rendkívül alacsony. Planck állandója tehát állandónak tekinthető a szubatomi skálán. Az atomegység- rendszer ezen az állandón alapszik.
Megfordíthatjuk, hogy Planck állandójának kis számértéke abból adódik, hogy a mindennapi életben kezelt fizikai rendszerek nagyon nagy részecskékből állnak (például az Avogadro-számhoz közeli értékek ). Például, egy fotont zöld fény hullámhossza 555 nm (maximális érzékenysége az emberi szem) frekvenciája 540 THz , és mindegyik foton ezért energiája E = hf = 3,58 × 10 -19 J . Ez az érték rendkívül alacsony az „emberi léptékű” energiákhoz képest (kJ körül), ezért nem felel meg a napi tapasztalatainknak (és ennek az energiának csak néhány fotonra van szüksége ahhoz, hogy a szem észlelhető fényt adjon). Ha viszont egy mól foton energiáját vesszük figyelembe , szorozva azt a 6,022 × 10 23 mol −1 Avogadro számmal , akkor végül egy 216 kJ mol −1 energiát találunk, amely közelebb van egy „emberhez”. skála ”.
Planck konstansát olyan részecskékkel előforduló kvantálási jelenségek leírására használják, amelyek egyes fizikai tulajdonságai csak a rögzített értékek több értékét veszik fel a lehetséges értékek folyamatos halmaza helyett. Például egy részecske frekvenciája összefügg az energiájával , amelyet bizonyos helyzetekben számszerűsíteni lehet (például az atom egy atomban) .
Ilyen kvantálási feltételeket találunk az egész kvantummechanikában. Például, ha a teljes impulzusmomentum egy olyan rendszer és a perdület a rendszer tetszőleges irányban mért ezek a mennyiségek csak veszi az értékeket
Ennek eredményeként gyakran tekintik a kvantum perdület , beleértve a kvantum centrifuga , azaz a perdület bármely rendszer, képest mért különösebb választott tengely, mindig egész számú többszöröse ezt az értéket.
A redukált Planck-állandó is megjelenik a nyilatkozatok a Heisenberg elvének határozatlanság . A helyzetmérés és az impulzusmérés ugyanazon tengely mentén mért szórása engedelmeskedik az összefüggésnek
Δx Δo≥12 ℏ.{\ displaystyle \ Delta x \ \ Delta p \ geq {\ frac {1} {2}} \ \ hbar \;.} Ez az elv formában is kifejezhető Δx Δv≥12 m ℏ,{\ displaystyle \ Delta x \ \ Delta v \ geq {\ frac {1} {2 \ m}} \ \ hbar \;,} hol van a vizsgált tárgy állandónak feltételezett tömege és sebessége.A redukált Planck-konstans a kvantumskálát kifejező alapvető állandóként is használható, a Planck-egységeknek nevezett egységek rendszerében , valamint az atomi egységek rendszerében .
Az atomi egységek rendszerének érdeke, hogy a Planck-állandó definíciója szerint az egységgel megegyező pontos értékkel rendelkezik, a mérés bizonytalansága nem gyakorol visszahatásokat a fizikai mérés eredményeire, ha ezekben az egységekben kifejezik, csak az maga a fizikai mennyiség mérésének bizonytalansága avatkozik be .
Ezzel szemben a Planck-egységeket általában gyenge pontossággal ismerik, a legnagyobb pontatlanságot a gravitációs állandó vezeti be .
Ezt az állandót (többek között) a következőkben használják:
A fekete testek elméletében , különösen a fényerő kifejezésére , két másik Planck-állandót használunk, amelyeket C 1-nek és C 2-nek nevezünk :
Planck állandójának h szimbóluma magának Plancknak köszönhető. Először jelenik meg egy közleményben, amelyet Planck készített 1900. december 14a Német Fizikai Társaságnál . A szerzők szerint a h betű a német Hilfsgröße ("segédváltozó"), a Hilfe! („Segítség!”) Vagy Helfen („segítség”).
A csökkentett konstans ħ szimbóluma Paul Dirac-nek köszönhető (1902-1984). Először egy 1926-ban megjelent cikkben javasolta.
Planck konstansának a következő Unicode reprezentációi vannak:
„„ A Planck-Einstein ( ) és De Broglie ( ) kapcsolatok összekapcsolják a korpuszkuláris típusú tulajdonságokat (a diszkrét entitások energiája és lendülete) a hullám típusú tulajdonságokkal (tér-idő periodicitások). Pontosabban lehetővé teszik e fogalmak hozzávetőleges érvényességi területének azonosítását. Ez a híres Heisenberg-kapcsolatok egyik lényeges szerepe, más néven bizonytalansági kapcsolatok. " "
"A kérdés az első: Hogyan lehet a H σ energiaérték diszkrét egymásutánját hozzárendelni a klasszikus mechanika értelmében meghatározott rendszerhez (az energiafüggvény a q r koordináták és a megfelelő momentum p r adott függvénye )? A Planck-állandó h tárgya a frekvencia H σ / h , hogy az energia értékeket H σ . Ezért elegendő diszkrét frekvenciaértékek egymás utáni megadása. "
: a cikk forrásaként használt dokumentum.