普朗克常数-揭开物理常数的奥妙

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

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，?(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。

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。

[摘要]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……

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。

 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。

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。

普朗克常数的贡献

普朗克常数的提出，尤其是以h为表征的量子概念，开创了现代物理学的新纪元，所作的贡献无法估量.首当其冲便是促进了量子论的建立与发展，量子论的生存斗争和早期发展，是紧密围绕着h的物理解释进行的。

1．h促进了量子论的建立和发展

    普朗克常数的引进开创了量子论，但在当时并没有得到人们的充分认识，甚至普朗克本人在提出新思想后也深感不安而想回到旧轨道上去.首先认识到量子概念的重要性并为量子论的发展打开局面的是爱因斯坦.

    19世纪80年代，物理学界发现金属在某些频率的光的照射下会发射出电子，就好象这些电子被光从金属表面打出来一样，即光电效应.勒纳德总结出这一现象的两条经验规律：(1)只有光的频率高于某一定值时，才能从某一金属表面打出电子来，被打出的电子的能量（或速度）只与光的频率有关，电子的能量随光的频率的增高而增大．(2)被打出的电子的数目只与光的强度有关而与光的频率无关.用经典物理学的理论是无论如何解释不了这两条经验规律的.

    爱因斯坦发展了普朗克的能量量子化概念，利用普朗克常数提出光量子概念，成功地解释了光电效应.他在1905年的著名论文中写道：“在我看来，如果假定光的能量不连续地分布于空间的话，那么我们就可以更好地理解黑体辐射、光致发光、紫外线产生阴极射线以及其它涉及光的发射与转换的现象的各种观测结果.根据这种假设，从一点发出的光线传播时，在不断扩大的空间范围内能量不是连续分布的，而是由一个数目有限的局限于空间中的能量量子所组成的，它们在运动中并不瓦解，而是整个地被吸收或发射.”据此，爱因斯坦提出，照射到金属表面上的光，就是光粒子流，频率为的光，就是能量为的光量子流．金属表面的电子只有吸收了能量为的光量子流才会逸出表面，这时等于电子脱出金属表面所作功(w)与电子获得的动能的和，即 (v为电子的逸出速度)．显然如果入射光的频率过小则不会有电子被打出；频率越大，电子的运动速度（v）越大；增加光的强度而不提高光的频率，虽可增多光电子的数量，但不影响它的运动速度．光量子假说的提出是波的微粒说在更高水平上的某种复归，揭示了光既有波动性又有微粒性的双重特性。

    在量子论的初期，固体比热是继黑体辐射和光电效应之后的又一重大课题．根据麦克斯韦—玻尔兹曼能量均分原理讨论固体的热容量所得的结果，在高温和室温范围内与实验值符合，但在低温范围内与实验不符，这个问题是经典物理不能解释的．1907年爱因斯坦进一步把普朗克常数及能量量子化作用于固体比热，得到热容量：

克服了经典理论的又一大难题，并及时得到能斯特的验证和大力宣传，使量子论开始被人们所认识．

    普朗克常数h的存在为原子提供稳定性是促进量子论形成的又一因素．卢瑟福依据α粒子散射实验提出了原子有核模型，但从经典物理学去解释这个模型却导致了新的困难．首先，根据经典电磁理论，电子绕核运动它要向外发射电磁波，能量将逐渐减少，因而电子绕核旋转的频率也将逐渐改变，这样它将向外发射连续光谱，这与原子的线光谱相矛盾．其次，由于原子能量的逐渐减少，电子绕核运动的半径将逐渐减小而很快落到核上．这与原子是一个稳定的系统的事实是根本矛盾的．

    就在这时，卢瑟福的研究生玻尔认为要解决原子的稳定性问题，“只有量子假说是摆脱困难的唯一出路．”在他1913年写的著名论文《原子结构和分子结构》中指出：“不管电子运动定律作何变动，看来有必要引入一种与经典电动力学不同的量到这些定律中来，这个量就是普朗克恒量，或一般所说的基本作用量子．引入这一物理量后，原子内电子的稳定性结构问题就发生了根本性的改变．”他提出了关于原子中电子状态的两条假说：１．原子中电子子只能在特定轨道上绕原子核运动，不同轨道的能量水平不同，电子在同一轨道上运动时既不发射能量也不吸收能量；２．原子中的电子可以由一个定态轨道跃迁到另一定态轨道，当跃迁发生时，如电子从较高能量（）的轨道跳到较低能量（）的轨道时，才会发射电磁辐射，其频率γ为， h为普朗克常数．玻尔在这两条假设的基础上，解释了25年来未能解释的氢原子光谱规律，并对里德伯恒量作出了理论上的证明，预告了氢和氯的一些新谱线的存在．他建立了经典概念与量子概念之间的对应原理，进一步指出：量子化轨道上的电子的角动量也是量子化的，只能取的整数倍．玻尔将普朗克常数引入原子物理学后所取得的这些成就，使量子论取得了初步胜利，早期量子论发展到了高峰．

     物理学家不论是将ｈ作为结果来考察，还是作为原因用来分析引入量子论后的物理事实，都最终否定了任何调和量了论与经典理论的企图。于是，量子论的历史就这样写下来了。ｈ，把物理世界的量子特性作为一个强烈的信息，不断输入人们头脑中。

2 ｈ促进了物理学其它领域的发展

    普朗克常数引入后量子论的建立与发展，以及由此诱发的一系列科学发现，使各门学科都向自己的小尺度领域进军，并把较深层次的考察同更大尺度层次的探索结合起来，在宏观、宇观研究上也有了新的突破。从此，各个领域各门学科迅速发展起来。

　　在微观领域，玻尔将普朗克常数引进原子物理学后的成功，促进了核物理学和粒子物理学的迅速发展．质子、中子的发现是物质结构学说的进步，同时又给进一步揭开微观领域的奥秘提供了新的武器；重核裂变的发现开创了人类历史的新时代—原子时代的到来．基本粒子的研究使人们对物质结构的认识进入更深的层次…物质结构的秘密逐层被揭开，给人类展示出微观领域的丰富多彩的自然图景，微观物理学的发展对整个自然科学产生了巨大影响。

    较深层次的研究带动了大尺度层次的研究，从而形成了以反映夸克—基本粒子—原子核和原子—凝聚态（固体和流体）—地球和其它天体—星系和整个宇宙为内容的完整的物理学体系．人类的视野已远远超出了我们居住的星体，扩展到太阳系、银河系乃至星团、星系和总星系，以至达到百亿年和百亿光年以上的时空领域。

值得一提的是，作为以普朗克常数为表征的光量子概念的发展，爱因斯坦提出了受激辐射理论，这一理论为激光的诞生奠定了理论基础．激光技术已成为二十世纪产生的新兴技术中发展最快的一项技术，激光现有用途已达二三千种，对许多部门和领域都产生了深刻影响，并正在出现一个新兴的激光工业部门。

3 ｈ促进了其它领域学科的发展

普朗克常数的发现所诱发的物理学发展，促成了各门学科与物理学互相渗透，其它领域学科得到迅速发展．对于化学来说，原子结构研究首先使元素周期律获得了新的解释，揭示了元素之间的内在联系；原子结构理论的建立也为了解原子之间相互结合的方式提供了新的理论依据，开创了结构化学的新分支，由此而促进了化学和生物学的相互渗透，诞生了以研究生物体内分子变化为内容的生物化学，推动着人们对生命的本质、生命起源等一系列问题的深入探索。

４．普朗克常数引发的深刻思考

关于普朗克常数的重大意义，不能不提的一点是它的出现所引起的在对待新事物、采用新方法、正确对待科学等方面对人们思想的影响。

　　首先，普朗克常数及其意义真正为人们所接受，经历了一个漫长而艰难的过程．这使人们看到，正确的理论最终会得到人们的认可，而它的维护者要付出多大的勇气和毅力。

　　其次，以普朗克常数为表征的“量子问题”是个全新的观点，要求人们采取对待新生事物的正确态度．量子概念提出后，在20世纪的最初5年内，普朗克的工作几乎无人问津．对新生事物，一些人呈批判态度．例如玻尔引进普朗克常数解释原子结构的稳定性，由于观点之特别新颖，以致当时不少物理学家难以接受．斯特恩尽管后来对玻尔思想的发展作出了很多贡献，也曾说过：＂假如玻尔的理论碰巧是对的话，我们将退出物理学界．即使普朗克本人也没对ｈ这个常数采取完全正确的态度．尽管他认为应该把自然常数作为新的物理世界体系的基石，但他走得太远了，以至于象信奉宗教一样对待科学发展中的常数．他在黑体辐射研究中发现了ｈ，所以他只承认吸收和发射所处范围ｈ的意义；他意识到需要ｈ来阻止能量的完全辐射，却仅仅把能量子概念作为纯粹形式上的假设．这种不合时宜的固步自封使他没有能及时把量子论上升到理论概括的高度，甚至在爱因斯坦光量子理论引出“量子问题”转换以后，他也没有能迅速跟上，他把ｈ这个物理事实绝对化了，因而ｈ反而成了他进一步发展量子论的羁绊．与普朗克不同，爱因斯坦更偏重对新概念、新事物的理性考察，发掘它们的内在启发性意义及其在物理世界简单和谐结构中所处的地位．他从辐射问题中直接吸取了能量子概念，并且从光量子假设开始，很快把量子学说推广到比热、涨落理论等领域，为将量子作用推广到整个物理学领域做了先行。

　　综上所述，普朗克常数不论是在微观理论中所处的核心作用（ｈ存在于量子系统的一切数学描述中，是区分物理现象是宏观还是微观的判据，如果在处理问题中ｈ的作用和其它物理量相比较可以略去，那么微观规律就过渡到宏观规律）,还是对于其它各门学科所起的引导作用，还是它对于人们思想观念方面的启发作用，它的划时代的重大意义是当之无愧的。

FM：英特网