普朗克常数,揭开物理常数的奥妙

文章作者:蓝色鸢尾 | 2016-03-14
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        普朗克常数是在量子物理学中非常重要的一个自然常数,也是一个物理常数,在描述量子大小方面具有非常重要的地位,于1900年的时候被发现,发现者是来自德国的著名物理学家和量子学的创始人马克斯•普朗克,他和爱因斯坦被称为是二十世纪最重要的两个物理学家,马克斯•普朗克提出来的普朗克常数对于量子学的发展具有非常重要的地位,并且其在很多方面的应用也极大的推动了物理学各个方面的发展,本文将会为大家详细的介绍普朗克常数以及其他的物理常数及自然常数。

普朗克常数

普朗克常数的应用

        普朗克常数记为h,是一个物理常数,用以描述量子大小。在量子力学中占有重要的角色,马克斯•普朗克在1900年研究物体热辐射的规律时发现,只有假定电磁波的发射和吸收不是连续的,而是一份一份地进行的,计算的结果才能和试验结果是相符。这样的一份能量叫做能量子,每一份能量子等于hv,v为辐射电磁波的频率,h为一常量,叫为普朗克常数。
        普朗克常数用以描述量子化,微观下的粒子,例如电子及光子,在一确定的物理性质下具有一连续范围内的可能数值。许多物理量可以量子化。譬如角动量量子化。 J 为一个具有旋转不变量的系统全部的角动量, Jz 为沿某特定方向上所测得的角动量。因此, 可称为 "角动量量子"。普朗克常数也使用于海森堡不确定原理。在位移测量上的不确定量(标准差) Δx ,和同方向在动量测量上的不确定量 Δp,有一定关系;还有其他组物理测量量依循这样的关系,例如能量和时间。

什么是约化普朗克常数

普朗克常数

        由于计算角动量时要常用到h/2π这个数,为避免反复写 2π 这个数,因此引用另一个常用的量为约化普朗克常数,有时称为狄拉克常数,纪念保罗•狄拉克,约化普朗克常量(又称合理化普朗克常量)是角动量的最小衡量单位。其中 π 为圆周率常数,约等于3.14,ћ(这个h上有一条斜杠)念为 "h拔" 。

普朗克常数的概念诠释

        普朗克曾经说过一句关于科学真理的真理,它可以叙述为“一个新的科学真理取得胜利并不是通过让它的反对者们信服并看到真理的光明,而是通过这些反对者们最终死去,熟悉它的新一代成长起来。”这一断言被称为普朗克科学定律,并广为流传。
        物质世界能产生普朗克常数,这一定有所原因。有新的观点认为带电粒子做圆周运动时,只要向心力是与到圆心的距离的三次方成反比,就能产生一个常数,这个常数乘以圆周运动频率等于带电粒子动能。如果电子受到这种向心力,那么这个常数就是普朗克常数。通过对电荷群的研究证实电子是受到这种向心力的。
        在一次普通的物理学会议上,在与会者们的不经意间,普朗克首次指出了热辐射过程中能量变化的非连续性。今天我们知道,普朗克所提出的能量量子化假设是一个划时代的发现,能量子的存在打破了一切自然过程都是连续的经典定论,第一次向人们揭示了自然的非连续本性。普朗克的发现使神秘的量子从此出现在人们的面前,它让物理学家们既兴奋,又烦恼,直到今天。

普朗克常数

认识马克斯•普朗克

        马克斯•普朗克,出生于德国荷尔施泰因,是德国著名的物理学家和量子力学的重要创始人。从博士论文开始,普朗克一直关注并研究热力学第二定律,发表诸多论文。大约1894年起,开始研究黑体辐射问题,发现普朗克辐射定律,并在论证过程中提出能量子概念和常数h,成为此后微观物理学中最基本的概念和极为重要的普适常量。
        普朗克在基尔度过了他童年最初的几年时光,直到1867年全家搬去了慕尼黑,普朗克在慕尼黑的马克西米利安文理中学读书,并在那里他受到─数学家奥斯卡•冯•米勒(后来成为了德意志博物馆的创始人)的启发,引起青年时期的马克斯发现自己对数理方面有兴趣。1877年至1878年,普朗克转学到柏林,在著名物理学家赫尔曼•冯•亥姆霍兹和古斯塔夫•罗伯特•基尔霍夫以及数学家卡尔•魏尔施特拉斯手下学习。
        普朗克早期的研究领域主要是热力学。他的博士论文就是《论热力学的第二定律》。此后,他从热力学的观点对物质的聚集态的变化、气体与溶液理论等进行了研究。普朗克在物理学上最主要的成就是提出著名的普朗克辐射公式,创立能量子概念。

普朗克常数
        1887年3月,普朗克与一个慕尼黑中学同学的妹妹玛丽•梅尔克结婚,婚后生活在基尔,共有4个孩子卡尔、双胞胎埃玛和格雷特以及埃尔温。在普朗克前往柏林工作后,全家住在柏林的一栋别墅中,与不计其数的柏林大学教授们为邻,普朗克的庄园发展成为了一个社交和音乐中心,许多知名的科学家如阿尔伯特•爱因斯坦、奥托•哈恩和莉泽•迈特纳等都是普朗克家的常客,这种在家中演奏音乐的传统来自于亥姆霍兹家。在度过了多年幸福的生活后,普朗克遇到了接踵而至的不幸。
        1929年与爱因斯坦共同获马克斯•普朗克奖章,该奖项由德国物理学会于该年创设;获法兰克福大学、慕尼黑工业大学、罗斯托克大学、柏林工业大学、格拉茨大学、雅典大学、剑桥大学、伦敦大学和格拉斯哥大学荣誉博士学位。

量子力学与普朗克常数

        量子力学是研究物质世界微观粒子的运动规律的物理学分支学科,它主要研究原子、分子、凝聚态物质,以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论,它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。量子力学不仅是现代物理学的基础理论之一,而且在化学等有关学科和许多近代技术中也得到了广泛的应用。
        量子力学并没有支持自由意志,只是于微观世界物质具有概率波等存在不确定性,不过其依然具有稳定的客观规律,不以人的意志为转移,否认宿命论。第一,这种微观尺度上的随机性和通常意义下的宏观尺度之间仍然有着难以逾越的距离;第二,这种随机性是否不可约简难以证明,事物是由各自独立演化所组合的多样性整体,偶然性与必然性存在辩证关系。自然界是否真有随机性还是一个悬而未决的问题,对这个鸿沟起决定作用的就是普朗克常数,统计学中的许多随机事件的例子,严格说来实为决定性的。

普朗克常数
        19世纪末,许多物理学家对黑体辐射非常感兴趣。黑体是一个理想化了的物体,它可以吸收,所有照射到它上面的辐射,并将这些辐射转化为热辐射,这个热辐射的光谱特征仅与该黑体的温度有关。使用经典物理这个关系无法被解释。通过将物体中的原子看作微小的谐振子,马克斯•普朗克得以获得了一个黑体辐射的普朗克公式。但是在引导这个公式时,他不得不假设这些原子谐振子的能量,不是连续的,而是离散的。

何为基本物理常数

        基本物理常数是物理领域的一些普适常数。这些常数的准确数值,由于从理论上说与测量地点、测量时间及所用的测量仪器及材料均无关联,因此称为基本物理常数。
        基本物理常数是物理领域的一些普适常数,主要是指原子物理学中常用的一些常数。最基本的有真空中光速с,普朗克常数h、基本电荷e、电子静止质量me和阿伏伽德罗常数NA等。基本物理常数共有30多个,加上其组合量则有40—50个,它们之间有着深刻的联系,并不是彼此独立的。例如,电子的发现是通过对电子的荷质比e/m的测定获得的;M.普朗克建立量子论的同时,发现了普朗克常数等。由此可见,基本物理常数出现于许多不同的物理现象之中,每一种物理现象的规律都同一种确定的常数有关。

普朗克常数
        基本物理常数有很好的恒定性使其可以用于定义基本单位。长度和电单位已采用基本物理常数来重新定义或复现。随着科学技术的迅速发展,将来会有更多的基本单位采用这种方法来重新定义或复现,即用相应的确定频率和基本物理常数作为不变量来定义和复现基本单位。
        物理学家和计量学家的目标是不断探索新的更完善的不变量作为基本单位的定义。不变量越是恒定,才能觉察和探索自然界任何细微变化的规律。

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