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zhbw62369229的博客

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延伸一下,觉得困难的话可以跳过本段  

2010-04-08 19:12:46|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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延伸一下,觉得困难的话可以跳过本段。

普朗克常数h的单位是【牛顿X米X秒】,如果我们按照乘法交换律自由组合一下,把力和距离先乘在一起作为能量,再和时间相乘即可得到h;或者把力和时间先乘在一起作为动量,再和距离相乘也可以得到h。这不仅仅是数学游戏,其背后的物理内涵由海森堡的不确定性原理所揭示。不确定性原理说,有些物理量永远无法被同时精确的测量。就像两只同时瞎嚷嚷的喇叭,不管你怎么努力,始终无法同时听清它们的是什么。能量和时间就是这样一对儿冤家,如果把这两个量的不确定度相乘,会发现这个值的最小极限恰好是h。当然,不用我说你也知道,动量和距离则是另一对儿冤家。

普朗克常数非常的小,按照国际单位制(米-秒-千克),它的量级是10的34次方。在我看来,最恐怖的世界末日场景不是火山喷发,天崩地裂,行星撞击,海啸滔天。而是某天突然醒来,发现普朗克常数变大了10的34次方倍。走在马路上,只能看到一团团模模糊糊的云状物朝着某个大致的方向曲折前行。而动物园里的犀牛可以随时穿墙而出,吓人一跳。此时,唯一开心得起来的就是物理学家,他们终于在自己身上发现了宏观量子效应,正要找香槟庆祝,却发现所有酒瓶既是塞住的,也是开启的。

如上文所说,对光子而言,频率和普朗克常数的乘积是能量。对电磁波而言,波长和频率的乘积是光速。所以得出一个结论:波长越短的光子,能量越高。这一点,女士们的体会更深,防晒霜的广告都注明“有效防止紫外线”,而从来不提红外线,就是因为紫外线波长更短,所以能量更高,容易灼伤皮肤。而紫外线波长更短这个事实,通过观察彩虹就可以发现,因为彩虹的最内圈永远是紫色,而外圈是红色。

X射线和可见光一样都是电磁波,只不过分属于两个不同的波段。X射线波长在10到0.1纳米左右(见上图)。产生X射线装置的结构很简单,在真空管内一端插入电极,另一端放置一块金属靶,在两端加上高电压,于是,电极中的电子脱离束缚,被高压形成的电场加速,从一端跑到另一端,然后一头撞上金属靶。碰撞发生时,高速运动的电子受到靶金属原子核的阻力,骤然减速,损失的动能便以X射线的形式辐射出来。

写到这里,用X射线测h值的原理就很容易说通了:通过真空管两端的电压值,可以知道电子撞击金属靶时的动能,也等于知道了X射线光子的能量;再测量辐射出的X射线的波长,可以算出光子频率;最后依据普朗克关系,用能量除以频率,就能到了h值。环环相扣,如同侦探小说。

说起来简单,做着麻烦。Duane,Palmer和叶企孙要在真空管两端稳定保持2万4千伏左右的超高电压,又要在另一端寻找X射线0.1纳米左右的超短波长,这在1921年都是非常尖端的技术。最后,他们得到了当时最精确的普朗克常数值——精确到小数点后第2位。

随着科技的发展,今天我们所用的h值已经精确到小数点后8位了。假如真有一天我们发现了外星文明,如何判断哪一种文明更加先进呢?很简单,比一比谁测出的物理常数位数更多就知道了。

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