普朗克常數(shù)的測(cè)量方法 文檔

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1、普朗克常數(shù)的測(cè)量方法作者：XXX指導(dǎo)教師：李海（山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院,山西大同037009）摘要：普朗克常數(shù)的發(fā)現(xiàn),在物理學(xué)的發(fā)展史上具有劃時(shí)代的意義,導(dǎo)致了量子理論的建立。歷史上測(cè)定普朗克常數(shù)的各種方法很多，主要有黑體輻射、光電效應(yīng)、X射線(xiàn)譜、電子衍射、正負(fù)電子湮沒(méi)以及宏觀(guān)量子效應(yīng)等。本文介紹幾種近年來(lái)常用的測(cè)量普朗克常數(shù)的五種不同方法：光電效應(yīng)法、黑體輻射法、origin輔助法、分光計(jì)法、通電動(dòng)圈法。關(guān)鍵詞：光電效應(yīng)法；黑體輻射法；origin輔助法；分光計(jì)法；通電動(dòng)圈測(cè)量方法1引言普朗克常數(shù)h是普朗克1900年在研究黑體輻射時(shí)引入的一個(gè)具有劃

2、時(shí)代意義的常數(shù)【1】。它一出現(xiàn)，人們就注意它的數(shù)值，歷史上測(cè)定普朗克常數(shù)的各種方法包括黑體輻射、光電效應(yīng)、X射線(xiàn)譜、電子衍射、正負(fù)電子湮沒(méi)以及宏觀(guān)量子效應(yīng)的一些方法【2】。但測(cè)量結(jié)果總是普朗克常數(shù)與其他常數(shù)的結(jié)合，很難對(duì)它進(jìn)行直接測(cè)量，且過(guò)程復(fù)雜，誤差較大。隨著科學(xué)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)技術(shù)不斷提高，測(cè)量結(jié)果越來(lái)越精確，測(cè)量方法也越來(lái)越多。2簡(jiǎn)介普朗克馬克斯·普朗克(1858年4月23日-1947年10月4日)，德國(guó)物理學(xué)家，出生于德國(guó)基爾城。馬克斯·普朗克1874年至1877年，在慕尼黑大學(xué)學(xué)習(xí)物理學(xué)和數(shù)學(xué)。1879年轉(zhuǎn)到柏林大學(xué)學(xué)習(xí)并且通過(guò)了博士論文，在論文中論述

3、了熱力學(xué)第二定律。1880年在慕尼黑大學(xué)任物理講師，1885年被基爾大學(xué)聘為理論物理特約教授。1900年,普朗克提出了一個(gè)重要的物理學(xué)常數(shù)——普朗克常數(shù)，才解開(kāi)了經(jīng)典物理學(xué)理論研究熱輻射規(guī)律時(shí)遇到的矛盾?；谄绽士顺?shù)的假設(shè)，他推出黑體輻射的普朗克公式，圓滿(mǎn)地解釋了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。普朗克早期的研究領(lǐng)域主要是熱力學(xué)。他的博士論文就是馬克斯·普朗克《論熱力學(xué)的第二定律》。此后，他從熱力學(xué)的觀(guān)點(diǎn)對(duì)物質(zhì)的聚集態(tài)的變化、氣體與溶液理論等進(jìn)行了研究。普朗克最大貢獻(xiàn)是在1900年提出了光量子假說(shuō)。3普朗克常數(shù)的重要意義普朗克常數(shù)是現(xiàn)代物理學(xué)中最重要的常數(shù)之一,它成為區(qū)分宏觀(guān)客體

4、和微觀(guān)客體的界限。普朗克常數(shù)的發(fā)現(xiàn),在物理學(xué)的發(fā)展史上具有劃時(shí)代的意義,它第一次表明了輻射能量的不連續(xù)性,這是現(xiàn)代物理學(xué)中富有革命性的事件。由于它的發(fā)現(xiàn),物理學(xué)進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)代,這個(gè)理論物理學(xué)的新概念導(dǎo)致了量子理論的建立。1905年愛(ài)因斯坦在解釋光電效應(yīng)時(shí),將普朗克的輻射能量不連續(xù)的假設(shè)作了重大發(fā)展,提出光是由能量為hυ的光量子構(gòu)成的粒子流。愛(ài)因斯坦和德拜用量子概念計(jì)算了固體中振動(dòng)能量隨頻率的分布,由此解釋了固體比熱在低溫下趨于零的特征。后來(lái),科學(xué)家們證明了康普頓效應(yīng)是一種量子效應(yīng),是普朗克常數(shù)h起重要作用的量子現(xiàn)象,在經(jīng)典極限下,h趨于零,能譜由分立變

5、連續(xù),X射線(xiàn)被電子散射后波長(zhǎng)不變,康普頓效應(yīng)不存在。光的波粒二象性,是對(duì)光的本質(zhì)的深刻認(rèn)識(shí),正是表達(dá)式ε=hυ和p=h/λ把標(biāo)志波動(dòng)性質(zhì)的υ和λ同標(biāo)志微粒性的E和p,通過(guò)普朗克常數(shù)h定量地聯(lián)系起來(lái)了。在光的二象性的啟發(fā)下,德布羅意提出了與光的二象性完全對(duì)稱(chēng)的設(shè)想,即實(shí)物粒子也具有波粒二象性的假設(shè),粒子的能量與波的(角)頻率、波矢量間滿(mǎn)足德布羅意關(guān)系,1926年薛定諤建立了物質(zhì)波的波動(dòng)方程,算出了氫原子的量子化能量,與實(shí)驗(yàn)完全符合。4普朗克常數(shù)的測(cè)量方法4.1通電動(dòng)圈測(cè)量普朗克常數(shù)NPL的基布爾(B.R.Kibble)和合作者在80年代用動(dòng)圈裝置定義電功率瓦特

6、的SI單位,用交流約瑟夫森效應(yīng)和量子霍耳效應(yīng)測(cè)電動(dòng)勢(shì)和電阻,不經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換因子KV和電阻轉(zhuǎn)換因子KΩ。,直接求出了h【3】。實(shí)驗(yàn)過(guò)程：在精密天平的一端懸掛一個(gè)通電的矩形線(xiàn)圈,使動(dòng)圈中部處在磁通密度為B的均勻水平磁場(chǎng)中,通入電流I后，因?yàn)閯?dòng)圈受安培力的作用，所以需在天平上加質(zhì)量為m的砝碼。設(shè)動(dòng)圈受力部分的長(zhǎng)度為L(zhǎng),則有:IBL=mg(1)令動(dòng)圈以速度v勻速垂直下降，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：E=LBv(2)由(1)、（2）式消去B和L，得IE=mgv(3)注意，右端m、g、v均為SI制，左端I、E是分別以INPL和ENPL表之，因此功率為：W=KWWNPL=KWINPL·

7、ENPL=mgv其中KW表示功率的轉(zhuǎn)換因子，它等于KW=mgv/INPL·ENPL(4)約瑟夫森效應(yīng)和量子霍耳效應(yīng)測(cè)的分別是電壓和電阻,涉及電壓轉(zhuǎn)換因子Kⅴ和電阻轉(zhuǎn)換因子KΩ,而VNPL=KV·V,RNPL=KΩ·R,KW=Kⅴ2/KΩ由于（）··=1,而（）NPL=·(),()NPL=KΩ（)所以KW=()2NPL·（）NPL·(5)從式（4）求出KW，代入式（5）就可以由約瑟夫森常量和馮·克利青常量直接計(jì)算普朗克常數(shù)。圖1測(cè)量安培力的實(shí)驗(yàn)裝置原理圖圖2測(cè)量電壓速度比的實(shí)驗(yàn)裝置原理圖根據(jù)圖一圖二實(shí)驗(yàn)原理，1900年基布爾等人報(bào)告了測(cè)量結(jié)果【

8、4】，得到的普朗克常數(shù)為h=6.62606821(9