引入

为什么黑体辐射的经典公式在短波段会趋于无穷,与实验不符?

为什么能量不能任意小地增减,而是一份一份的?

为什么 这么小,小到日常生活完全察觉不到量子效应?

普朗克在 1900 年为拟合黑体辐射曲线,被迫假设能量只能一份份地发射和吸收。他当时并不相信这个假设,但正是这个“数学技巧”开启了量子力学。

正文

定义

普朗克常数 是量子效应的基本尺度,其值为 约化普朗克常数 。

能量子

定义

电磁波发射和吸收的能量不是连续的,而是一份份的能量子: 其中 为频率。

原笔记把频率写成 并注为“带电微粒的振动频率 ”,容易与速度混淆。标准写法是 (希腊字母 nu),与 等价。

振子的能量只能取分立值:

这就是“量子化”的原始含义:能量不是连续的斜坡,而是台阶。

为什么能解决紫外灾难

经典理论(瑞利-金斯定律)认为每个频率模式都可以获得任意小的能量,导致高频模式无限多、总能量发散。

普朗克的假设改变了这一点:

频率范围 相对 结果
低频()能量子很小与经典结果接近
高频()能量子很大激发概率按 急剧下降

高频模式需要的能量子太大,热运动无法提供,所以它们几乎不被激发。发散被自然截断。

普朗克常数的意义

层面意义
数值极小 量级,宏观物体的量子效应无法察觉
作用量单位 与角动量同量纲,量子化的是“作用量”
与 的关系 在角动量、不确定性原理中更常用
定义地位2019 年起用于定义千克

小是经典物理在日常尺度上成立的根本原因。当作用量远大于 时,量子效应被平均掉。

相关常数对照

常数符号数值用途
普朗克常数光子能量
约化普朗克常数角动量、不确定性原理
玻尔兹曼常数热能与温度换算
光速光子动量

常见误区

错误说法问题
“普朗克常数是能量”它是作用量,单位
“能量子就是光子”能量子是普朗克的假设,光子是爱因斯坦的推广
“量子化只发生在微观”宏观系统也有,只是能级间距小到测不出

引出

普朗克假设能量量子化,但他本人并未接受光量子概念。爱因斯坦在光电效应中把能量子推广为光子。

为什么作用量是量子化的基本对象,而不是能量本身?

普朗克常数会不会随时间变化?目前的观测给出的上限是多少?