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1、普朗克常数的测量方法作者：XXX指导教师：李海（山西大同大学物理与电子科学学院,山西大同037009）摘要：普朗克常数的发现,在物理学的发展史上具有划时代的意义,导致了量子理论的建立。历史上测定普朗克常数的各种方法很多，主要有黑体辐射、光电效应、X射线谱、电子衍射、正负电子湮没以及宏观量子效应等。本文介绍几种近年来常用的测量普朗克常数的五种不同方法：光电效应法、黑体辐射法、origin辅助法、分光计法、通电动圈法。关键词：光电效应法；黑体辐射法；origin辅助法；分光计法；通电动圈测量方法1引
2、言普朗克常数h是普朗克1900年在研究黑体辐射时引入的一个具有划时代意义的常数【1】。它一出现，人们就注意它的数值，历史上测定普朗克常数的各种方法包括黑体辐射、光电效应、X射线谱、电子衍射、正负电子湮没以及宏观量子效应的一些方法【2】。但测量结果总是普朗克常数与其他常数的结合，很难对它进行直接测量，且过程复杂，误差较大。随着科学的发展，实验技术不断提高，测量结果越来越精确，测量方法也越来越多。2简介普朗克马克斯·普朗克(1858年4月23日-1947年10月4日)，德国物理学家，出生于德国基尔城
3、。马克斯·普朗克1874年至1877年，在慕尼黑大学学习物理学和数学。1879年转到柏林大学学习并且通过了博士论文，在论文中论述了热力学第二定律。1880年在慕尼黑大学任物理讲师，1885年被基尔大学聘为理论物理特约教授。1900年,普朗克提出了一个重要的物理学常数——普朗克常数，才解开了经典物理学理论研究热辐射规律时遇到的矛盾。基于普朗克常数的假设，他推出黑体辐射的普朗克公式，圆满地解释了实验现象。普朗克早期的研究领域主要是热力学。他的博士论文就是马克斯·普朗克《论热力学的第二定律》。此后，他
4、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。普朗克最大贡献是在1900年提出了光量子假说。3普朗克常数的重要意义普朗克常数是现代物理学中最重要的常数之一,它成为区分宏观客体和微观客体的界限。普朗克常数的发现,在物理学的发展史上具有划时代的意义,它第一次表明了辐射能量的不连续性,这是现代物理学中富有革命性的事件。由于它的发现,物理学进入了一个全新的时代,这个理论物理学的新概念导致了量子理论的建立。1905年爱因斯坦在解释光电效应时,将普朗克的辐射能量不连续的假设作了重大发展,提
5、出光是由能量为hυ的光量子构成的粒子流。爱因斯坦和德拜用量子概念计算了固体中振动能量随频率的分布,由此解释了固体比热在低温下趋于零的特征。后来,科学家们证明了康普顿效应是一种量子效应,是普朗克常数h起重要作用的量子现象,在经典极限下,h趋于零,能谱由分立变连续,X射线被电子散射后波长不变,康普顿效应不存在。光的波粒二象性,是对光的本质的深刻认识,正是表达式ε=hυ和p=h/λ把标志波动性质的υ和λ同标志微粒性的E和p,通过普朗克常数h定量地联系起来了。在光的二象性的启发下,德布罗意提出了与光的二
6、象性完全对称的设想,即实物粒子也具有波粒二象性的假设,粒子的能量与波的(角)频率、波矢量间满足德布罗意关系,1926年薛定谔建立了物质波的波动方程,算出了氢原子的量子化能量,与实验完全符合。4普朗克常数的测量方法4.1通电动圈测量普朗克常数NPL的基布尔(B.R.Kibble)和合作者在80年代用动圈装置定义电功率瓦特的SI单位,用交流约瑟夫森效应和量子霍耳效应测电动势和电阻,不经电压转换因子KV和电阻转换因子KΩ。,直接求出了h【3】。实验过程：在精密天平的一端悬挂一个通电的矩形线圈,使动圈中
7、部处在磁通密度为B的均匀水平磁场中,通入电流I后，因为动圈受安培力的作用，所以需在天平上加质量为m的砝码。设动圈受力部分的长度为L,则有:IBL=mg(1)令动圈以速度v匀速垂直下降，则感应电动势为：E=LBv(2)由(1)、（2）式消去B和L，得IE=mgv(3)注意，右端m、g、v均为SI制，左端I、E是分别以INPL和ENPL表之，因此功率为：W=KWWNPL=KWINPL·ENPL=mgv其中KW表示功率的转换因子，它等于KW=mgv/INPL·ENPL(4)约瑟夫森效应和量子霍耳效应测
8、的分别是电压和电阻,涉及电压转换因子Kⅴ和电阻转换因子KΩ,而VNPL=KV·V,RNPL=KΩ·R,KW=Kⅴ2/KΩ由于（）··=1,而（）NPL=·(),()NPL=KΩ（)所以KW=()2NPL·（）NPL·(5)从式（4）求出KW，代入式（5）就可以由约瑟夫森常量和冯·克利青常量直接计算普朗克常数。图1测量安培力的实验装置原理图图2测量电压速度比的实验装置原理图根据图一图二实验原理，1900年基布尔等人报告了测量结果【4】，得到的普朗克常数为h=6.62606821(9
