Plancks konstant är en av de mest grundläggande konstanter som beskriver universum. Den definierar kvantiseringen av elektromagnetisk strålning (en fotons energi) och ligger till grund för mycket av kvantteorin.
Vem var Max Planck?

Max Planck var en tysk fysiker som levde från 1858-1947. Förutom många andra bidrag, fick hans anmärkningsvärda upptäckt av energikvanta honom Nobelpriset i fysik 1918.

När Planck deltog i universitetet i München, rådde en professor honom att gå in i fysik eftersom förmodligen allt var redan upptäckt. Planck följde inte detta förslag och vände till slut fysiken på huvudet genom att uppstå kvantfysik, detaljerna som fysiker fortfarande försöker förstå idag.
Value of Plancks Constant

Plancks konstant < em> h
(även kallad Planck-konstanten) är en av flera universella konstanter som definierar universum. Det är kvantiteten för elektromagnetisk verkan och relaterar fotonfrekvensen till energi.

Värdet på h
är exakt. Per NIST_, h_ \u003d 6,62607015 × 10 ^{-34 J Hz -1. Planckkonstantens SI-enhet är joule-sekunden (Js). En relaterad konstant ℏ ("h-bar") definieras som h /(2π) och används oftare i vissa applikationer. Hur upptäcktes Plancks konstant?}

Upptäckten av denna konstant kom till eftersom Max Planck försökte lösa ett problem med svartkroppsstrålning. En svart kropp är en idealiserad absorberare och strålningsutsändare. I en termisk jämvikt avger en svart kropp kontinuerligt strålning. Denna strålning avges i ett spektrum som indikerar kroppens temperatur. Det vill säga, om du plottar strålningsintensiteten kontra våglängden, kommer grafen att toppa vid en våglängd som är förknippad med objektets temperatur.

Strålningskurvorna i svartkroppen toppar vid längre våglängder för kallare objekt och kortare våglängder för varmare föremål. Innan Planck kom in i bilden fanns det ingen övergripande förklaring till formen på den svarta kroppens strålningskurva. Förutsägelser för kurvens form vid lägre frekvenser matchade, men divergerade signifikant vid högre frekvenser. I själva verket beskrev den så kallade "ultraviolett katastrofen" ett drag i den klassiska förutsägelsen där all materia omedelbart skulle utstråla all sin energi bort tills den var nära absolut noll.

Planck löste detta problem genom att anta oscillatorerna i den svarta kroppen kunde bara ändra sin energi i diskreta steg som var proportionella mot frekvensen för den tillhörande elektromagnetiska vågen. Det är här idén om kvantisering kommer in. I grunden måste oscillatorernas tillåtna energivärden kvantifieras. När det antagandet gjordes, kunde formeln för rätt spektralfördelning härledas.

Medan man ursprungligen trodde att Plancks kvanta var ett enkelt trick för att få matematiken att fungera, blev det senare tydligt att energi verkligen gjorde uppför sig på detta sätt, och kvantmekanikens fält föddes.
Planck-enheter

Andra relaterade fysiska konstanter, såsom ljusets hastighet c
, gravitationskonstanten G
, Coulomb-konstanten k _{e
och Boltzmanns konstant k B
kan kombineras för att bilda Planck-enheter. Planck-enheter är en uppsättning enheter som används i partikelfysik där värdena för vissa grundläggande konstanter blir 1. Inte överraskande är detta val bekvämt när du utför beräkningar.}

Genom att ställa in c \u003d G \u003d ℏ \u003d k _{e \u003d k B
\u003d 1, Planck-enheterna kan härledas. Uppsättningen av basplankenheter listas i följande tabell.}

TABELL

Från dessa basenheter kan alla andra enheter härledas.
Plancks konstant och kvantiserad energi

I en atom får elektronerna bara existera i mycket specifika kvantiserade energitillstånd. Om en elektron vill befinna sig i ett lägre energitillstånd kan det göra det genom att avge ett diskret paket med elektromagnetisk strålning för att ta bort energin. Omvänt, för att hoppa till ett energitillstånd måste samma elektron absorbera ett mycket specifikt diskret energipaket.

Energin som är associerad med en elektromagnetisk våg beror på vågens frekvens. Som sådan kan atomer absorbera och avge endast mycket specifika frekvenser av elektromagnetisk strålning i överensstämmelse med deras tillhörande kvantiserade energinivåer. Dessa energipaket kallas fotoner och de kan bara släppas ut med energivärden E
som är en multipel av Plancks konstant, vilket ger upphov till förhållandet:
E \u003d h \\ nu

Var < em> ν
(den grekiska bokstaven nu
) är fotonens frekvens
Plancks konstanta och materiella vågor.

År 1924 visades det att elektroner kan fungera som vågor i samma sätt fotoner gör - det vill säga genom att uppvisa partikelvågdualitet. Genom att kombinera den klassiska ekvationen för momentum med det kvantmekaniska momentumet bestämde Louis de Broglie att våglängden för materievågor ges med formeln:
\\ lambda \u003d \\ frac {h} {p}

där λ
är våglängd och p
är momentum.

Snart använde forskare vågfunktioner för att beskriva vad elektroner eller andra liknande partiklar gjorde med hjälp av Schrodinger-ekvationen - en partiell skillnad ekvation som kan användas för att bestämma utvecklingen av vågfunktionen. I sin mest grundläggande form kan Schrodinger-ekvationen skrivas på följande sätt:
i \\ hbar \\ frac {\\ partiell} {\\ partiell t} \\ Psi (r, t) \u003d \\ Big [\\ frac {- \\ hbar ^ 2} {2m} \\ nabla ^ 2 + V (r, t) \\ Big] \\ Psi (r, t)

Där Ψ
är vågfunktionen, r
är positionen, t
är tid och V
är den potentiella funktionen.
Kvantmekanik och den fotoelektriska effekten -

När ljus, eller elektromagnetisk strålning, träffar ett material till exempel en metallyta, det materialet avger ibland elektroner, kallade fotoelektroner. Detta beror på att atomerna i materialet absorberar strålningen som energi. Elektroner i atomer absorberar strålning genom att hoppa till högre energinivåer. Om den absorberade energin är tillräckligt hög, lämnar de hematomen helt.

Det som emellertid var mest speciellt med den fotoelektriska effekten är att den inte följde klassiska förutsägelser. Det sätt på vilket elektronerna släpptes ut, antalet som släpptes ut och hur detta ändrades med ljusintensitet som alla lämnade forskare som skrapade på huvudet från början.

Det enda sättet att förklara detta fenomen var att åberopa kvantmekanik. Tänk på en ljusstråle inte som en våg, utan som en samling diskreta vågpaket som kallas fotoner. Fotonerna har alla distinkta energivärden som motsvarar frekvensen och våglängden för ljuset, vilket förklaras av vågpartikeldualiteten.

Tänk dessutom på att elektronerna bara kan hoppa mellan diskreta energitillstånd. De kan bara ha specifika energivärden och aldrig några värden däremellan. Nu kan de observerade fenomenen förklaras. Elektroner frigörs endast när de absorberar mycket specifika tillräckliga energivärden. Ingen släpps om frekvensen för infallande ljus är för låg oavsett intensitet eftersom ingen av energipaketen är individuellt tillräckligt stora.

När tröskelfrekvensen har överskridits ökar intensiteten bara antalet frigjorda elektroner och inte själva elektronernas energi eftersom varje emitterad elektron absorberar en diskret foton. Det finns inte heller någon tidsfördröjning även vid låg intensitet så länge frekvensen är tillräckligt hög eftersom så snart en elektron får rätt energipaket släpps det. Låg intensitet resulterar bara i färre elektroner.
Plancks konstant och Heisenbergs osäkerhetsprincip