量子、原子與核物理(入門)

普朗克常數

/ PLAHNK /

普朗克常數(Planck's constant)是一個極小的數,它替量子世界定下了尺度,就像光速替相對論定下尺度一樣。日常畫面:它是大自然的「顆粒大小」。就像沙子遠看平滑、其實是由一粒粒沙構成,原子世界裡的能量也是一顆一顆而非平滑流動,而普朗克常數告訴你一顆有多大。因為這一顆小到不可思議,我們在日常生活中根本察覺不到這種顆粒感。

精確地說,一顆光子所攜帶的能量等於普朗克常數乘上光的頻率:E = h f。這裡 f 是頻率(單位 Hz),h 是普朗克常數,約為 6.63 x 10^-34 焦耳-秒(J s)。一個密切相關的版本叫約化普朗克常數,寫成 h-bar(h-bar = h / (2 pi),約 1.05 x 10^-34 J s),只要牽涉到角度或旋轉時就會出現。普朗克常數同時也決定了不確定性原理中最小可能的模糊程度,以及波耳模型裡角動量那一顆的大小。

為什麼重要:h 是大自然真正的基本常數之一,正因為它極其微小,量子顆粒對我們才隱形,對原子卻是決定性的。自 2019 年起它甚至用來定義公斤:國際單位制如今把 h 固定為一個精確值,並由此建構質量單位。誠實的提醒:h 不是零、也不可調整,它是宇宙固定的性質;若它更大,量子效應就會滲入日常生活。

一顆綠光光子(頻率約 5.6 x 10^14 Hz)攜帶的能量為 E = h f,約 3.7 x 10^-19 J,也就是約 2.3 電子伏特。這是極其微弱的能量,因此單獨一顆光子你毫無感覺,但一整束光子卻能照亮整個房間。

光子能量等於普朗克常數乘以頻率。

普朗克常數的單位是焦耳-秒,也就是能量乘時間(或等價地動量乘長度);這個組合稱為作用量,所以 h 又被稱為「作用量子」。

又稱
hquantum of action約化普朗克常數 h-bar