• 歡迎訪問上海熔盛檢測儀器有限公司官網

    用X射線測定普朗克常數

    2015/4/17 11:01:43 人評論 次瀏覽 分類:新聞資訊

    用X射線測定普朗克常數

    候戲 發表于 2010-04-07 12:59,轉載時有刪節

    葉企孫在哈佛大學讀研究生時主要參與了兩個項目。一個是用X射線測定普朗克常數,論文《A re-measurement of the Radiation constant, h, by means of X-Rays(用X射線法重新測量普朗克常數)》發表于1921年的PNAS(美國科學院院報)上;另一個是測量流體靜壓力對鐵磁材料磁化率的影響,論文稿完成于1923年,他把稿件交給導師布里奇曼后就回國了,布里奇曼為了確認幾處文字上的改動,輾轉很久才聯系上他,一耽誤就是兩年,最終文章發表于1925年。其實,后一項工作才是葉企孫在導師指導下獨立完成的——高壓物理也是他導師的本行。而前一個工作他只是參與完成,算是研究生初期的小試身手。

    測定h值的工作由三人完成,發表時的排名次序為,William Duane,H.  Palmer和葉企孫。第一作者,也是項目發起者,William Duane,是哈佛教授——因為致力于把X射線應用于癌癥治療,成為美國歷史上第一個生物物理學(bio-physics)教授。早在1917年,Duane就曾經和F. Blake用類似方法測量定過h值,測量結果發表在當年的Phys. Rev. (物理學評論)上。1921年的實驗其實是在原實驗基礎上進行的改良,目的是為了提高精度。下面來說說這個實驗是怎么回事兒。

    物理學的主要任務之一就是拉關系。比如愛因斯坦發現能量和質量是有關系的,它們之間成正比,而且比值剛好是光速的平方,寫出來就成了E=mc2,物理學中大眾最為熟悉的一個公式。

    普朗克發現,電磁波可以被看成一個一個攜帶能量的波包。他把這樣的波包稱作光子。光子的能量和光波頻率之間也有關系,它們成正比,比值恰好是一個常數,寫成公式就是E=hv。其中,E代表能量,希臘字母v代表頻率,h則被后人命名為“普朗克常數”。這個公式被稱作“普朗克關系”,是量子論的基石之一。

    普朗克常數h的單位是【牛頓X米X秒】,如果我們按照乘法交換律自由組合一下,把力和距離先乘在一起作為能量,再和時間相乘即可得到h;或者把力和時間先乘在一起作為動量,再和距離相乘也可以得到h。這不僅僅是數學游戲,其背后的物理內涵由海森堡的不確定性原理所揭示。不確定性原理說,有些物理量永遠無法被同時精確的測量。就像兩只同時瞎嚷嚷的喇叭,不管你怎么努力,始終無法同時聽清它們的是什么。能量和時間就是這樣一對兒冤家,如果把這兩個量的不確定度相乘,會發現這個值的最小極限恰好是h。當然,不用我說你也知道,動量和距離則是另一對兒冤家。

    普朗克常數非常的小,按照國際單位制(米-秒-千克),它的量級是10的負34次方。在我看來,最恐怖的世界末日場景不是火山噴發,天崩地裂,行星撞擊,海嘯滔天。而是某天突然醒來,發現普朗克常數變大了10的34次方倍。走在馬路上,只能看到一團團模模糊糊的云狀物朝著某個大致的方向曲折前行。而動物園里的犀??梢噪S時穿墻而出,嚇人一跳。此時,唯一開心得起來的就是物理學家,他們終于在自己身上發現了宏觀量子效應,正要找香檳慶祝,卻發現所有酒瓶既是塞住的,也是開啟的。

    如上文所說,對光子而言,頻率和普朗克常數的乘積是能量。對電磁波而言,波長和頻率的乘積是光速。所以得出一個結論:波長越短的光子,能量越高。這一點,女士們的體會更深,防曬霜的廣告都注明“有效防止紫外線”,而從來不提紅外線,就是因為紫外線波長更短,所以能量更高,容易灼傷皮膚。而紫外線波長更短這個事實,通過觀察彩虹就可以發現,因為彩虹的最內圈永遠是紫色,而外圈是紅色。

    X射線和可見光一樣都是電磁波,只不過分屬于兩個不同的波段。X射線波長在10到0.1納米左右(見上圖,圖略)。產生X射線裝置的結構很簡單,在真空管內一端插入電極,另一端放置一塊金屬靶,在兩端加上高電壓,于是,電極中的電子脫離束縛,被高壓形成的電場加速,從一端跑到另一端,然后一頭撞上金屬靶。碰撞發生時,高速運動的電子受到靶金屬原子核的阻力,驟然減速,損失的動能便以X射線的形式輻射出來。

    寫到這里,用X射線測h值的原理就很容易說通了:通過真空管兩端的電壓值,可以知道電子撞擊金屬靶時的動能,也等于知道了X射線光子的能量;再測量輻射出的X射線的波長,可以算出光子頻率;最后依據普朗克關系,用能量除以頻率,就能到了h值。環環相扣,如同偵探小說。

    說起來簡單,做著麻煩。Duane,Palmer和葉企孫要在真空管兩端穩定保持2萬4千伏左右的超高電壓,又要在另一端尋找X射線0.1納米左右的超短波長,這在1921年都是非常尖端的技術。最后,他們得到了當時最精確的普朗克常數值——精確到小數點后第2位。

    隨著科技的發展,今天我們所用的h值已經精確到小數點后8位了。假如真有一天我們發現了外星文明,如何判斷哪一種文明更加先進呢?很簡單,比一比誰測出的物理常數位數更多就知道了。