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普朗克常数(h)测量的话题

已有 8384 次阅读 2011-11-4 13:11 |个人分类:镜子大全|系统分类:科普集锦| 测量, 普朗克

普朗克常数(h)测量的话题。
作者: mirror (*)
日期: 11/03/2011 01:19:49

矩阵式的分类:(古典论,古典论)h=0 and 1/c = 0;(古典论,相对论)h=0 and 1/c > 0;(量子论,古典论)h > 0 and 1/c = 0;(量子论,相对论)h > 0 and 1/c > 0。

普朗克常数符号h的由来。与h渊源很深的是k,玻尔兹曼常数。拉丁字母里,h和k是邻居。普朗克当年用能量元素h是因为玻尔兹曼用在统计学上用了能量符号H。普朗克分布的公式型是1/(exp(h/H)-1)。在今天,h=hν,H=kBT。普朗克本人,以及老爱,只是说有个光量子的定数,单位是能量(hν的形式),并没有声称是普朗克常数

明确声明(定义)普朗克常数的是玻尔,在1913年解释氢原子的光谱时。他把光子能量与电子围绕核的圆运动频率结合在一起了。光子能量=hν,普朗克常数看上去是个能量与频率的换算系数,单位是J*sec(或者eV*sec),是个作用(量)的单位。最小作用量不为零的现实,意味着整个古典物理学对微观世界的失效。因为支撑古典物理学的数学手段,是对力学体系的最小作用(量)施行变分。这个手段的失效,就意味着力学方程都得不到了。也意味着新的力学体系的不连续性。这个不连续性与分子/原子性相对应,其观测量又与统计力学模式相对应。这是普朗克常数的诞生史,到2013年就是100周年了。

普朗克常数的诞生之日起,就有人关心这个量的具体大小以及如何精密地测量这个常量,也就是本话题的核心。毕竟这是一百多年的话题,还需有些铺垫。

今天电学的基本单位是安培(A)。人们是如何定义单位安培(A)的呢?该单位的定义为:在真空中相距为1米的两根无限长平行直导线,通以相等的恒定电流,当每米导线上所受作用力为2×10-7N时,各导线上的电流为1安培。
这个定义也许很令人奇怪。因为这里没有用“电荷”来定义电学的量,而是用了力的单位。能从这个定义看出这就是个用“电流表”量电流的人,无疑就是“高人”了。用力的单位N,就要涉及到质量单位的千克。上一篇文章里讲到质量单位的千克的不稳定性会影响电流单位的根源在于此。

安培(A)的力学定义版是二战后决定的(1948),在此之前,是通过通过电荷的量来定义的:硝酸银溶液每秒析出0.001118g银时的恒定电流(1909年)。这个“奇妙”的数值来自一个毫摩尔银的质量。这既是与阿伏伽德罗数的相关,同样也有一个质量的测量问题。

显然这样的方法不适用于日常的测量。电流的日常测量还是通过电压和电阻。因此标准电压和标准电阻的实现,就是个最大的问题。有了这两个标准,通过1A=1V/1Ω可以测出电流。由此可知,质量千克的定义,最终可以通过标准电压和标准电阻的组合来定义,这也意味着普朗克常数与质量千克相关。

标准电压在过去是用电池,如今是用超导的交流约瑟夫效应来定义:KJ-90约瑟夫常数(微波电压变换系数)=483597.9GHz/V,“-90”是表明这个KJ是1990年的“和谐值”。在约瑟夫器件上施加483597.9GHz微波时,超导器件两电极间发生的电压是1V。约瑟夫常数的测量值是4.835 978 70(11) × 1014 Hz/V。

同理,标准电阻在过去是用白金合金的线圈,如今是用量子霍尔效应来定义:冯·克利青常数RK=25 812.807 4434(84) Ω

由于h=4/RK/KJ2,可以通过测量冯·克利青常数和约瑟夫常数来决定普朗克常数

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就“是”论事儿,就“事儿”论是,就“事儿”论“事儿”。

订正:标准电阻在过去是用水银柱来定义的。
作者: mirror (*)
日期: 11/03/2011 19:40:35

因为水银比较容易提纯,研究水银的导电性也是超导发现的一个引子。1908年的定义:1国际欧姆=14.4521g的水银在冰的融点温度下,长度为106.300cm的均匀柱体时对恒流电源呈现出的电阻。1948年改定为用锰铜线来做标准欧姆。1990年改用量子霍尔效应来定义。

定义的变迁可以看出人们思考的模式变化。

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就“是”论事儿,就“事儿”论是,就“事儿”论“事儿”。


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