Պլանկի հաստատուն

Վիքիպեդիայից՝ ազատ հանրագիտարանից
h Միավոր
h=6,626 069 57(29)×10−34 Ջ•վ
h=4,135 667 516(91)×10−15 էՎ•վ
h=6,626 069 57(29)×10−27 էրգ•վ
ħ Միավոր
~\hbar=1,054 571 726(47)×10−34 Ջ•վ
~\hbar=6,582 119 28(15)×10−16 էՎ•վ
~\hbar=1,054 571 726(47)×10−27 էրգ•վ
Պլանկի ցուցատախտակը Բեռլինի Հումբոլտի համալսարանում. «1889-1928թթ. այս շենքում դասավանդել է Մաքս Պլանկը`գործողության տարրական քվանտի` h-ի հայտնաբերողը»

Պլանկի հաստատունը (նշանակվում է h) ֆիզիկական հաստատուն է, որը քվանտային մեխանիկայում օգտագործվում է էներգիայի չափն արտահայտելու համար։ 1899թ. այն առաջին անգամ կիրառել է Մաքս Պլանկը` քվանտային մեխանիկայի հիմնադիրներից մեկը:

Ընդհանուր նկարագիր[խմբագրել]

Սկզբում Պլանկի հաստատունը նկարագրվում էր որպես համեմատականության գործակից ֆոտոնի E էներգիայի և ν հաճախության միջև: Էներգիայի և հաճախության միջև գոյություն ունեցող այս կապը հայտնի է Պլանկի առնչություն կամ Պլանկ-Այնշտայնի հավասարում անունով`

E = ~h\nu:

Քանի որ ալիքի \nu հաճախությունը, λ երկարությունը և c լույսի արագությունը կապված են λν = c առնչությամբ, Պլանկի առնչությունը կարող է գրվել նաև որպես

E = \frac{hc}{\lambda}:

1923թ. Լուի դը Բրոյլը հրապարակեց իր հայտնի առնչությունը, ըստ որի` Պլանկի հաստատունը կապ է հաստատում ոչ միայն ֆոտոնի, այլև ցանկացած մասնիկի իմպուլսի և ալիքի երկարության միջև, ինչը շուտով հաստատվեց փորձնականորեն։ Պլանկը հայտնաբերեց, որ ֆիզիկայում գործողությունը չի կարող պատահական արժեքներ ընդունել և բազմապատիկ է մի մեծության, որը հետագայում ստացավ «գործողության քվանտ» անվանումը. այժմ այն կոչվում է Պլանկի հաստատուն։ Այս երևույթը, որը նկատելի չէ առօրյա կյանքում գործողության քվանտի չափազանց փոքր արժեքի պատճառով, միկրոաշխարհի անկապտելի հատկանիշներից մեկն է։ Հնարավոր չէ նկարագրել որևէ երևույթ` առանց հաշվի առնելու գործողության քվանտացումը։ Որոշ դեպքերում, ինչպես, օրինակ, ատոմների մոնոքրոմատիկ լույսի համար, գործողության քվանտը նաև նշանակում է, որ կան որոշակի թույլատրված և արգելված էներգիական մակարդակներ։ Եթե հաճախությունը տրվում է անկյունային արագությամբ, հարմար է 2\pi գործակիցը ներառել Պլանկի հաստատունի մեջ։ Արդյունքում ստացված հաստատունը կոչվում է «Պլանկի կրճատված (բերված) հաստատուն» կամ «Դիրակի հաստատուն»: Թվային արժեքով այն հավասար է Պլանկի հաստատունին` բաժանած 2\pi-ի և նշանակվում է ħ («h գծիկով»).

\hbar = \frac{h}{2 \pi}:

ω անկյունային հաճախություն ունեցող ֆոտոնի էներգիան (որտեղ ω = 2\pi\nu) կլինի

E = \hbar \omega:

Արժեքը[խմբագրել]

Պլանկի հաստատունը ունի նույն չափողականությունը, ինչ և ֆիզիկայի գործողությունը, այսինքն` այն նույնական է անկյունային մոմենտին (էներգիա անգամ ժամանակ կամ մոմենտ անգամ հեռավորություն)։ SI համակարգում Պլանկի հաստատունը արտահայտվում է ջոուլ-վայրկյանով (Ջ•վ) կամ Ն•մ•վ-ով։

Պլանկի հաստատունի արժեքը

h = 6.626\ 069\ 57(29)\times 10^{-34} Ջ·վ = 4.135\ 667\ 516(91)\times 10^{-15} էՎ·վ:

Պլանկի կրճատված հաստատունի արժեքը`

\hbar = {{h}\over{2\pi}} = 1.054\ 571\ 726(47)\times 10^{-34} Ջ·վ =6.582\ 119\ 28(15)\times 10^{-16} էՎ·վ:

Կլոր փակագծերում նշված երկու թվանշանները ցույց են տալիս ստանդարտ անորոշությունը: Հաստատունների և դրանց անորոշությունների արժեքները այստեղ բերված են ըստ 2010թ. CODATA-ի հրապարակման[1], որը մոտ չորս տարին մեկ միջազգային հանրությանն է ներկայացնում հաստատուն մեծությունների արժեքները։

Ֆիզիկական իմաստը[խմբագրել]

Քվանտային մեխանիկայում իմպուլսն ունի ալիքային վեկտորի, էներգիան` հաճախության, գործողությունը` ալիքի փուլի ֆիզիկական իմաստ, սակայն ավանդաբար (պատմականորեն) մեխանիկական մեծությունները չափվում են այլ միավորներով (կգ•մ/վ, Ջ, Ջ•վ)` ի տարբերություն համապատասխան ալիքային մեծությունների (մ−1, վ−1): Պլանկի հաստատունը կապում է դասական և քվանտային հաշվարկման համակարգերը`

\mathbf p = \hbar \mathbf k (իմպուլս) ( |\mathbf p|= 2 \pi \hbar / \lambda )
E = \hbar \omega (էներգիա)
S = \hbar \phi (գործողություն):

Եթե միավորների համակարգը մշակվեր քվանտային մեխանիկայի ստեղծումից հետո և հարմարեցվեր հիմնական տեսական բանաձևերի ձևակերպմանը, Պլանկի հաստատունը հավանաբար պարզապես կհավասարեցվեր մեկի, կամ, ծայրահեղ դեպքում, ամբողջ թիվ կլիներ։ Տեսական ֆիզիկայում հաճախ բանաձևերի պարզեցման համար օգտագործվում է միավորների համակարգ, որտեղ \hbar = 1: Այստեղից`

\mathbf p = \mathbf k (|\mathbf p|= 2 \pi / \lambda)
~E = \omega
~S = \phi
(\hbar = 1):

Պլանկի հաստատունը հանդես է գալիս որպես պարզ գնահատական՝ դասական և քվանտային ֆիզիկաների կիրառելիության սահմանները որոշելիս. այն համեմատելով դիտարկվող համակարգերը բնութագրող մեծությունների (գործողություն, իմպուլս, էներգիայի և ժամանակի արտադրյալ և այլն) հետ` կարելի է որոշել, թե տվյալ ֆիզիկական համակարգի հանդեպ ինչ չափով է կիրառելի դասական մեխանիկան։ Եթե ~S-ն համակարգի գործողությունն է, իսկ ~M-ն` իմպուլսի մոմենտը, ապա ~\frac{S}{\hbar}\gg1 կամ ~\frac{M}{\hbar}\gg1 դեպքում համակարգի վարքը մեծ ճշտությամբ նկարագրվում է դասական մեխանիկայով։ Այս գնահատականները ուղղակիորեն կապված են Հայզենբերգի անորոշությունների առնչության հետ։

Հայտնաբերման պատմությունը[խմբագրել]

Պլանկի բանաձևը ջերմային ճառագայթման համար[խմբագրել]

Պլանկի բանաձևը` բացարձակ սև մարմնի ճառագայթման հզորության սպեկտրային խտության արտահայտությունը ստացել է Մաքս Պլանկը u(\omega, T) հավասարաչափ ճառագայթման խտության համար։ Այս բանաձևը ստացվեց այն բանից հետո, երբ պարզ դարձավ, որ Ռելեյ-Ջինսի օրենքը բավարար ճշտությամբ նկարագրում է ճառագայթումը միայն երկար ալիքների տիրույթում։ 1900թ. Պլանկն առաջարկեց նոր հաստատունով (հետագայում այն կոչվեց Պլանկի հաստատուն) նկարագրվող մի բանաձև, որը լավ համաձայնեցվում էր փորձարարական տվյալներին։ Ընդ որում Պլանկը համարում էր, որ այդ բանաձևը պարզապես հաջողված մաթեմատիկական հնարք է, սակայն չունի ֆիզիկական իմաստ։ Պլանկը չէր ենթադրում, որ էլեկտրամագնիսական ճառագայթումը առաքվում է էներգիայի որոշակի բաժինների (քվանտ) տեսքով, որոնց մեծությունը կապված է ճառագայթման հաճախության հետ


\varepsilon = \hbar \omega

արտահայտությամբ։ \hbar համեմատականության գործակիցը հետագայում կոչվեց Պլանկի հաստատուն. \hbar =1.054×10−34 Ջ•վ։

Ֆոտոէֆեկտ[խմբագրել]

Ֆոտոէֆեկտը լույսի (առհասարակ էլեկտրամագնիսական ալիքների) ազդեցությամբ նյութից էլեկտրոնների ճառագայթման երևույթն է։ Կոնդենսացված նյութերում (պինդ և հեղուկ) տարբերում են արտաքին և ներքին ֆոտոէֆեկտի երևույթները։ 1905թ. Այնշտայնը լույսի քվանտային բնույթի մասին Պլանկի հիպոթեզի օգնությամբ բացատրեց ֆոտոէֆեկտի երևույթը, ինչի համար 1921թ. ստացավ Նոբելյան մրցանակ։ Այնշտայնի աշխատությունը նոր կարևոր հիպոթեզ էր առաջ քաշում. եթե ըստ Պլանկի, լույսը ճառագայթվում էր միայն քվանտացված բաժիններով, ապա Այնշտայնը ենթադրեց, որ լույսը գոյություն ունի միայն քվանտացված բաժիններով։ Լույսը ներկայացնելով մասնիկների` ֆոտոնների տեսքով, էներգիայի պահպանման օրենքից կարելի է ստանալ Այնշտայնի բանաձևը ֆոտոէֆեկտի համար.

 \hbar \omega = A_{out} + \frac{mv^2}{2} ,

որտեղ A_{out}ելքի աշխատանքն է (էլեկտրոնը նյութից հեռացնելու համար անհրաժեշտ նվազագույն էներգիան), \frac{mv^2}{2}-ն` դուրս թռչող էլեկտրոնի կինետիկ էներգիան, \omega-ն` \hbar \omega էներգիայով ընկնող ֆոտոնի հաճախությունը, \hbar-ը` Պլանկի հաստատունը։ Այս բանաձևից հետևում է ֆոտոէֆեկտի կարմիր սահմանի գոյությունը. Դա այն նվազագույն հաճախությունն է, որից ցածրի դեպքում ֆոտոնի էներգիան արդեն բավարար չէ մարմնից էլեկտրոն «պոկելու» համար։ Բանաձևի էությունն այն է, որ ֆոտոնի էներգիան ծախսվում է նյութի ատոմը իոնացնելու և էլեկտրոն «պոկելու» համար անհրաժեշտ աշխատանքի վրա, իսկ մնացյալ էներգիան փոխակերպվում է էլեկտրոնի կինետիկ էներգիայի։

Նշանակությունը[խմբագրել]

Պլանկի հաստատունը տարբեր թվային արժեքներ ունի տարբեր միավորների համակարգերում։ SI համակարգում այն ֆիզիկայի ամենափոքր հաստատուններից մեկն է։ Դա պայմանավորված է այն հանգամանքով, որ մարդու` իրեն հարմարեցրած սանդղակում, որտեղ էներգիան սովորաբար կիլոջոուլների կարգի է, իսկ ժամանակը` վայրկյանների կամ րոպեների, գործողության քվանտը` Պլանկի հաստատունը, չնչին մեծություն է դառնում։ Սա նաև միաժամանակ արտացոլում է այն փաստը, որ առօրյա օբյեկտները կամ համակարգերը բաղկացած են “մեծ” թվով մասնիկներից։ Օրինակ` 555 նանոմետր ալիքի երկարությամբ կանաչ լույսի (մարդու աչքը առավել ընկալունակ է այս երկարության հանդեպ) հաճախությունը 540 ՏՀց է (540×1012 Հց)։ Յուրաքանչյուր ֆոտոնի E էներգիան այս դեպքում հավասար է  = 3.58×10−19 ջ։ Առօրյա կյանքի չափանիշներով սա շատ փոքր էներգիա է, սակայն առօրյա կյանքում մենք գործ չենք ունենում ոչ առանձին ֆոտոնների, ոչ ատոմների կամ մոլեկուլների հետ և այս դեպքում ամենահարմար մեծությունը մոլն է. մեկ մոլ ֆոտոնների էներգիան կարելի է հաշվել` բազմապատկելով ֆոտոնի էներգիան Ավոգադրոյի հաստատունով` NA ≈6.022×1023 մոլ−1: Պլանկի հաստատունը առնչվում է լույսի և մատերիայի քվանտացմանը, ուստի դասվում է ատոմական սանդղակի հաստատունների շարքին: Ատոմական սանդղակին հարմարեցված միավորների համակարգում, որտեղ էներգիայի չափման ընդունված միավոր է էլեկտրոն-վոլտը, իսկ հաճախությունը չափվում է պետահերցերով (1015), Պլանկի հաստատունը կնկարագրվի 1-ի կարգի թվով:

Անորոշությունների սկզբունքը[խմբագրել]

Պլանկի հաստատունը կարևոր դեր ունի նաև Վերներ Հայզենբերգի անորոշությունների սկզբունքում, ըստ որի` մասնիկի կոօրդինատի և իմպուլսի Δx և Δp անորոշությունները կապված են

 \Delta x\, \Delta p \ge \frac{\hbar}{2}

առնչությամբ, որտեղ անորոշությունը նշանակում է չափվող արժեքների ստանդարտ շեղումը սպասվող արժեքներից։ Այս առնչությանը բավարարում են նաև չափման ենթակա ֆիզիկական մեծությունների այլ զույգեր։ Այստեղ անորոշությունը բխում է ոչ թե չափող սարքերի անճշտությունից, այլ` քվանտային չափումների և քվանտային մասնիկների բնույթից։

Կապը այլ ֆիզիկական հաստատունների հետ[խմբագրել]

Էլեկտրոնի հանգստի զանգված[խմբագրել]

Ռիդբերգի հաստատունը` R-ը որոշվում է էլեկտրոնի me զանգվածով և այլ ֆիզիկական մեծություններով`

R_\infty = \frac{m_{\rm e} e^4}{8 \epsilon_0^2 h^3 c_0} = \frac{m_{\rm e} c_0 \alpha^2}{2 h}:

Ռիդբերգի հաստատունը մեծ ճշտությամբ կարելի է որոշել նաև ջրածնի ատոմական սպեկտրից, մինչդեռ գոյություն չունի էլեկտրոնի հանգստի զանգվածը չափելու ուղղակի եղանակ։ Ուստի me-ն հաշվելու համարժեք տարբերակ է

m_{\rm e} = \frac{2 R_{\infty} h}{c_0 \alpha^2}-ը,

որտեղ c0-ն լույսի արագությունն է, α-ն` նուրբ կառուցվածքի հաստատունը: Լույսի արագությունը ՄՄ (SI) համակարգում ունի ճշգրտորեն որոշված արժեք, իսկ նուրբ կառուցվածքի հաստատունը կարելի է որոշել ավել մեծ ճշտությամբ, քան Պլանկի հաստատունը. Էլեկտրոնի հանգստի զանգվածի արժեքի անճշտությունը պայմանավորված է Պլանկի հաստատունի արժեքի անճշտությամբ (r2 > 0.999)։

Ավոգադրոյի հաստատուն[խմբագրել]

NA Ավոգադրոյի հաստատունը որոշվում է որպես մեկ մոլ էլեկտրոնի զանգվածի հարաբերությունը մեկ էլեկտրոնի զանգվածին։ Մեկ մոլ էլեկտրոնի զանգվածը էլեկտրոնի Ar(e) հարաբերական ատոմային զանգվածն է (որը կարելի է չափել «Փեննինգի թակարդի» (ur = 4.2×10−10) միջոցով)` բազմապատկած Mu մոլային զանգվածի հաստատունով(Mu =  0.001 kg/mol)`

N_{\rm A} = \frac{M_{\rm u} A_{\rm r}({\rm e})}{m_{\rm e}} = \frac{M_{\rm u} A_{\rm r}({\rm e}) c_0 \alpha^2}{2 R_{\infty} h}:

Ավոգադրոյի հաստատունի կախումը Պլանկի հաստատունից (r2 > 0.999) ներառում է նաև հարակից ֆիզիկական հաստատունները, ինչպես օրինակ ատոմական զանգվածի հաստատունը: Պլանկի հաստատունի արժեքի անճշտությունը սահմանափակում է մեր իմացությունը ատոմների և ներատոմային մասնիկների զանգվածների մասին, երբ արտահայտվում է ՄՄՀ միավորներով։ Այդ մասնիկների զանզվածները հնարավոր է չափել ավելի ճշգրիտ զանգվածի ատոմական միավորներով, սակայն հնարավոր չէ ճշգրտորեն արտահայտել կիլոգրամներով։

Տարրական լիցք[խմբագրել]

    1rightarrow.png Հիմնական հոդված՝ Տարրական էլեկտրական լիցք


Սկզբնապես Զոմերֆելդը α նուրբ կառուցվածքի հաստատունը սահմանել էր որպես

\alpha\ =\ \frac{e^2}{\hbar c_0 \ 4 \pi \epsilon_0}\ =\ \frac{e^2 c_0 \mu_0}{2 h},

որտեղ eտարրական լիցքն է, ε0 -ն` էլեկտրական հաստատունը (վակուումի դիէլեկտրիկական թափանցելիությունը), μ0-ն`մագնիսական հաստատունը (վակուումի էլեկտրամագնիսական թափանցելիությունը)։ Վերջին երկուսը ՄՄ համակարգում ունեն ֆիքսված արժեքներ։ α-ն հնարավոր է նաև չափել փորձնականորեն` չափելով էլեկտրոնի սպինի g գործոնը և համեմատելով ստացված արդյունքը քվանտային էլեկտրադինամիկայով կանխատեսված արժեքի հետ։ Ներկայումս տարրական լիցքի առավել ճշգրիտ արժեքն ստանալու համար այն սահմանում են α և h մեծությունների օգնությամբ.

e = \sqrt{\frac{2\alpha h}{\mu_0 c_0}}:

Բորի մագնետոն: Միջուկային մագնետոն[խմբագրել]

Բորի մագնետոնը և միջուկային մագնետոնը մեծություններ են, որոնք կիրառվում են համապատասխանաբար էլեկտրոնի և ատոմի միջուկի մագնիսական հատկությունները նկարագրելու համար։ Բորի մագնետոնը այն մագնիսական մոմենտն է, որը ստացվում է դասական էլեկտրադինամիկայի տեսանկյունից էլեկտրոնը որպես պտտվող լիցք դիտարկելիս։ Այն որոշվում է Պլանկի կրճատված հաստատունի, տարրական լիցքի և էլեկտրոնի զանգվածի օգնությամբ, որոնք բոլորն էլ կախված են Պլանկի հաստատունից.

\mu_{\rm B} = \frac{e \hbar}{2 m_{\rm e}} = \sqrt{\frac{c_0 \alpha^5 h}{32 \pi^2 \mu_0 R_{\infty}^2}}:

Միջուկային մագնետոնը որոշվում է համանման ձևով, հաշվի առնելով սակայն, որ պրոտոնը էլեկտրոնից շատ ավելի զանգվածեղ է։ Էլեկտրոնի հարաբերական ատոմային զանգվածի հարաբերությունը պրոտոնի հարաբերական ատոմային զանգվածին փորձնականորեն կարելի է որոշել մեծ ճշգրտությամբ։

Չափման եղանակները[խմբագրել]

Ֆոտոէֆեկտի օրենքի կիրառումը[խմբագրել]

Պլանկի հաստատունի չափման այս եղանակի դեպքում օգտագործվում է Այնշտայնի բանաձևը ֆոտոէֆեկտի համար`

~K_{max}=h\nu-A,

Որտեղ ~K_{max}-ն կատոդից թռչող էլեկտրոնների առավելագույն կինետիկ էներգիան է, ~\nu-ն` ընկնող լույսի հաճախությունը, ~A-ն` էլեկտրոնի ելքի աշխատանքը։ Չափումն իրականացվում է հետևյալ կերպ. Սկզբում ֆոտոէլեմենտի կատոդը առաքում է ~\nu_1 հաճախությամբ մոնոքրոմատիկ լույս, ընդ որում ֆոտոէլեմենտին տալիս են փակող լարում, այնպես, որ ֆոտոէլեմենտի միջով այլևս հոսանք չանցնի։ Ընդ որում տեղի ունի հետևյալ առնչությունը, որն անմիջականորեն բխում է Այնշտայնի օրենքից.

~h\nu_1=A+eU_1,

որտեղ ~e-ն` էլեկտրոնի լիցքն է։

Այնուհետև միևնույն ֆոտոէլեմենտը լուսավորում են ~\nu_2 հաճախությամբ մոնոքրոմատիկ լույսով և նույնպես փակում ~U_2 լարման օգնությամբ.

~h\nu_2=A+eU_2:

Անդամ առ անդամ առաջին արտահայտությունից հանելով երկրորդը, կստանանք`

~h(\nu_1-\nu_2)=e(U_1-U_2),

որտեղից հետևում է`

~h=\frac {e(U_1-U_2)}{(\nu_1-\nu_2)}:

Արգելակային ռենտգենյան ճառագայթման սպեկտրի վերլուծությունը[խմբագրել]

Այս եղանակը համարվում է ամենաճշգրիտը։ Օգտագործվում է այն փաստը, որ արգելակային ռենտգենյան ճառագայթման հաճախային սպեկտրն ունի ճշգրիտ վերին սահման, որը կոչվում է մանուշակագույն սահման։ Դրա գոյությունը բխում է էլեկտրամագնիսական ճառագայթման քվանտային հատկություններից և էներգիայի պահպանման օրենքից։ Իրոք.

~h\frac{c}{\lambda}=eU,

որտեղ ~c-ն լույսի արագությունն է,

~\lambda-ն` ռենտգենյան ճառագայթման ալիքի երկարությունը,
~e-ը` էլեկտրոնի լիցքը,
~U-ը` ռենտգենյան խողովակի էլեկտրոդների արագացնող լարումը:

Այդ դեպքում Պլանկի հաստատունը հավասար կլինի

~h=\frac{{\lambda}{Ue}}{c}:

Ծանոթագրություններ[խմբագրել]

  1. «CODATA recommended values»։ http://physics.nist.gov/cuu/Reference/versioncon.shtml։ 

Գրականություն[խմբագրել]