Планка постійна - це

ПЛАНКА ПОСТІЙНА
h, одна з універсальних числових констант природи, що входить в багато формули і фізичні закони, які описують поведінку матерії та енергії в масштабах мікросвіту. Існування цієї константи було встановлено в 1900 професором фізики Берлінського університету М.Планком в роботі, яка заклала основи квантової теорії. Їм же була дана попередня оцінка її величини. Прийняте в даний час значення постійної Планка одно (6,6260755 ± 0,00023) * 10 -34 Дж * с. Планк зробив це відкриття, намагаючись знайти теоретичне пояснення спектру випромінювання, що випускається нагрітими тілами. Таке випромінювання випускають все тіла, що складаються з великого числа атомів, при будь-якій температурі вище абсолютного нуля, однак воно стає помітним лише при температурах, близьких до температури кипіння води 100 ° С і вище неї. Крім того, воно охоплює весь спектр частот від радіочастотного діапазону до інфрачервоній, видимій і ультрафіолетовій областей. В області видимого світла випромінювання стає досить яскравим лише приблизно при 550 ° С. Залежність інтенсивності випромінювання за одиницю часу від частоти характеризується спектральними розподілами, представленими на рис. 1 для кількох значень температури. Інтенсивність випромінювання при даному значенні частоти є кількість енергії, випромінюваної у вузькій смузі частот в околиці даної частоти. Площа кривої пропорційна повній енергії, випромінюваної на всіх частотах. Як неважко бачити, ця площа швидко збільшується з підвищенням температури.

Мал. 1. Теплове ВИПРОМІНЮВАННЯ, залежність інтенсивності від частоти при різних температурах.

Планк хотів вивести теоретично функцію спектрального розподілу і знайти пояснення двох простих встановлених експериментально закономірностей: частота, що відповідає найбільш яскравого світіння нагрітого тіла, пропорційна абсолютній температурі, а повна енергія, яку випромінює за 1 з одиничною майданчиком поверхні абсолютно чорного тіла, - четвертого ступеня його абсолютної температури . Першу закономірність можна виразити формулою

де nm - частота, відповідна максимальної інтенсивності випромінювання, Т - абсолютна температура тіла, а a - постійна, що залежить від властивостей випромінює об'єкта. Друга закономірність виражається формулою

де Е - повна енергія, яку випромінює одиничної майданчиком поверхні за 1 с, s - постійна, що характеризує випромінює об'єкт, а Т - абсолютна температура тіла. Перша формула називається законом зміщення Віна, а друга - законом Стефана - Больцмана. Планк прагнув на підставі цих законів вивести влучний вислів для спектрального розподілу випромінюваної енергії при будь-якій температурі. Універсальний характер явища можна було пояснити з позицій другого закону термодинаміки, згідно з яким теплові процеси, що протікають мимовільно у фізичній системі, завжди йдуть в напрямку встановлення в системі теплового рівноваги. Уявімо собі, що два порожніх тіла А і В різної форми, різного розміру і з різного матеріалу з одного температурою звернені один до одного, як показано на рис. 2. Якщо припустити, що з А в В приходить більше випромінювання, ніж з В в А, то тіло В неминуче ставало б більш теплим за рахунок А і рівновагу мимовільно порушувалося б. Така можливість виключається другим початком термодинаміки, а отже, обидва тіла повинні випромінювати однакову кількість енергії, і, отже, величина s у формулі (2) не залежить від розміру і матеріалу поверхні, що випромінює, за умови, що остання являє собою якусь порожнину. Якщо порожнини розділити кольоровим екраном, який фільтрував б і відбивав назад все випромінювання, крім випромінювання з якоюсь однією частотою, то все сказане залишилося б справедливим. Це означає, що кількість випромінювання, що випускається кожною порожниною в кожній ділянці спектра, одне і те ж, і функція спектрального розподілу для порожнини носить характер універсального закону природи, причому величина a у формулі (1), подібно величиною s, є універсальною фізичною константою.

Мал. 2. ДВА порожніх ТІЛА різної форми, різного розміру і з різних матеріалів, що знаходилися спочатку при одній і тій же температурі, випускають теплове випромінювання однакової інтенсивності.

Планк, добре володів термодинаміки, віддав перевагу саме таке рішення проблеми і, діючи методом проб і помилок, знайшов термодинамічну формулу, яка дозволяла обчислювати функцію спектрального розподілу. Отримана формула узгоджувалася з усіма існуючими експериментальними даними і, зокрема, з емпіричними формулами (1) і (2). Щоб пояснити це, Планк скористався хитромудрої прийомом, підказаної другим початком термодинаміки. Справедливо вважаючи, що термодинаміка речовини краще вивчена, ніж термодинаміка випромінювання, він зосередив свою увагу переважно на речовині стінок порожнини, а не на випромінюванні всередині неї. Оскільки постійні, що входять до законів Вина і Стефана - Больцмана, що не залежать від природи речовини, Планк мав право робити будь-які припущення щодо матеріалу стінок. Він вибрав модель, в якій стінки складаються з величезного числа крихітних електрично заряджених осциляторів, кожен зі своєю частотою. Осцилятори під дією падаючого на них випромінювання можуть коливатися, випромінюючи при цьому енергію. Весь процес можна було досліджувати виходячи з добре відомих законів електродинаміки, тобто функцію спектрального розподілу можна було знайти, обчисливши середню енергію осциляторів з різними частотами. Звернувши послідовність міркувань, Планк, виходячи з угаданной їм правильної функції спектрального розподілу, знайшов формулу для середньої енергії U осцилятора з частотою n в порожнині, що знаходиться в рівновазі при абсолютній температурі Т:

де b - величина, яка визначається експериментально, а k - постійна (звана постійної Больцмана, хоча вперше була введена Планком), яка фігурує в термодинаміки і кінетичної теорії газів. Оскільки ця постійна зазвичай входить з множником Т, зручно ввести нову постійну h = bk. Тоді b = h / k і формулу (3) можна переписати у вигляді

Нова постійна h і являє собою постійну Планка; обчислене Планком її значення склало 6,55Ч10-34 ДжЧс, що всього лише приблизно на 1% відрізняється від сучасного значення. Теорія Планка дозволила висловити величину s у формулі (2) через h, k і швидкість світла з:

де с - швидкість світла. Якщо кванти світла розглядати як частинки, кожна з яких має енергію hn, то природно припустити наявність у кожної з них імпульсу p, рівного hn / c. Фундаментальне співвідношення, що зв'язує довжину хвилі l з частотою n і швидкістю світла с, має вигляд

так що вираз для імпульсу можна записати у вигляді h / l. У 1923 аспірант Л.де Бройль висловив припущення, що не тільки світла, але і всім формам матерії властивий корпускулярно-хвильовий дуалізм, що виражається в співвідношеннях

між характеристиками хвилі і частинки. Ця гіпотеза підтвердилася, що зробило постійну Планка універсальної фізичної константою. Її роль виявилася набагато більш значною, ніж можна було б припускати з самого початку.
ЛІТЕРАТУРА
Квантова метрологія і фундаментальні константи. М. тисячу дев'ятсот сімдесят три Шепф Х.-Г. Від Кирхгофа до Планка. М. 1981