普朗克常數(shù)的測量方法 文檔

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1、普朗克常數(shù)的測量方法作者：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)展史上具有劃時代的意義,導(dǎo)致了量子理論的建立。歷史上測定普朗克常數(shù)的各種方法很多，主要有黑體輻射、光電效應(yīng)、X射線譜、電子衍射、正負電子湮沒以及宏觀量子效應(yīng)等。本文介紹幾種近年來常用的測量普朗克常數(shù)的五種不同方法：光電效應(yīng)法、黑體輻射法、origin輔助法、分光計法、通電動圈法。關(guān)鍵詞：光電效應(yīng)法；黑體輻射法；origin輔助法；分光計法；通電動圈測量方法1引言普朗克常數(shù)h是普朗克1900年在研究黑體輻射時引入的一個具有劃

2、時代意義的常數(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射線譜、電子衍射、正負電子湮沒以及宏觀量子效應(yīng)的一些方法【2】。但測量結(jié)果總是普朗克常數(shù)與其他常數(shù)的結(jié)合，很難對它進行直接測量，且過程復(fù)雜，誤差較大。隨著科學(xué)的發(fā)展，實驗技術(shù)不斷提高，測量結(jié)果越來越精確，測量方法也越來越多。2簡介普朗克馬克斯·普朗克(1858年4月23日-1947年10月4日)，德國物理學(xué)家，出生于德國基爾城。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,普朗克提出了一個重要的物理學(xué)常數(shù)——普朗克常數(shù)，才解開了經(jīng)典物理學(xué)理論研究熱輻射規(guī)律時遇到的矛盾。基于普朗克常數(shù)的假設(shè)，他推出黑體輻射的普朗克公式，圓滿地解釋了實驗現(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)的觀點對物質(zhì)的聚集態(tài)的變化、氣體與溶液理論等進行了研究。普朗克最大貢獻是在1900年提出了光量子假說。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)分宏觀客體

4、和微觀客體的界限。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)進入了一個全新的時代,這個理論物理學(xué)的新概念導(dǎo)致了量子理論的建立。1905年愛因斯坦在解釋光電效應(yīng)時,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。愛因斯坦和德拜用量子概念計算了固體中振動能量隨頻率的分布,由此解釋了固體比熱在低溫下趨于零的特征。后來,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射線被電子散射后波長不變,康普頓效應(yīng)不存在。光的波粒二象性,是對光的本質(zhì)的深刻認識,正是表達式ε=hυ和p=h/λ把標志波動性質(zhì)的υ和λ同標志微粒性的E和p,通過普朗克常數(shù)h定量地聯(lián)系起來了。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稱的設(shè)想,即實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、波矢量間滿足德布羅意關(guān)系,1926年薛定諤建立了物質(zhì)波的波動方程,算出了氫原子的量子化能量,與實驗完全符合。4普朗克常數(shù)的測量方法4.1通電動圈測量普朗克常數(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)測電動勢和電阻,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】。實驗過程：在精密天平的一端懸掛一個通電的矩形線圈,使動圈中部處在磁通密度為B的均勻水平磁場中,通入電流I后，因為動圈受安培力的作用，所以需在天平上加質(zhì)量為m的砝碼。設(shè)動圈受力部分的長度為L,則有:IBL=mg(1)令動圈以速度v勻速垂直下降，則感應(yīng)電動勢為：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·克利青常量直接計算普朗克常數(shù)。圖1測量安培力的實驗裝置原理圖圖2測量電壓速度比的實驗裝置原理圖根據(jù)圖一圖二實驗原理，1900年基布爾等人報告了測量結(jié)果【

8、4】，得到的普朗克常數(shù)為h=6.62606821(9