Costante di Planck

La costante di Planck, indicata con ${\displaystyle h}$, è una costante fisica fondamentale della meccanica quantistica, introdotta come la costante di proporzionalità fra l'energia e la frequenza di un fotone nei primi anni del novecento da Max Planck e Albert Einstein, rispettivamente nello studio della radiazione emessa da un corpo nero e dell'effetto fotoelettrico.^[1][2] È alla base del dualismo onda-particella^[3] e della quantizzazione di grandezze come l'energia, la quantità di moto e il momento angolare.

È anche detta quanto d'azione avendo le dimensioni di un'energia per un tempo (cioè di un'azione) e nel sistema di unità di misura delle unità atomiche compone l'unità di misura del momento angolare; inoltre, è una delle costanti fondamentali che definiscono la costante di struttura fine.^[4]

Valore

Il valore della costante di Planck è senza errori di misura in quanto, a partire dal 20 maggio 2019, è la costante utilizzata per definire il chilogrammo.^[5] Il valore scelto è:^[6][7]

${\displaystyle h=6{,}626\,070\,15\times 10^{-34}\ {\rm {J\cdot Hz^{-1}}}}$

Ricorre di frequente nella trattazione matematica l'espressione ${\displaystyle {\frac {h}{2\pi }}}$, che viene comunemente indicata per comodità di scrittura nelle formule con il simbolo ${\displaystyle \hbar }$, denominato "${\displaystyle h}$ tagliato" o costante di Planck ridotta o costante di Dirac^[8], che vale:

${\displaystyle \hbar ={\frac {h}{2\pi }}=1{,}054\,571\,817\ldots \times 10^{-34}\ {\rm {J\cdot s}}=6{,}582\,119\,569\ldots \times 10^{-16}\ {\rm {eV\cdot s}}}$

Il carattere ℏ è presente anche nella codifica Unicode.

Quantizzazione delle grandezze fisiche

Lo stesso argomento in dettaglio: Quantizzazione (fisica).

La costante di Planck è legata alla quantizzazione delle grandezze dinamiche che caratterizzano lo stato della materia a livello microscopico, ovvero delle particelle che compongono materia e luce: elettroni, protoni, neutroni e fotoni. Ad esempio, l'energia ${\displaystyle E}$ trasportata da un'onda elettromagnetica con frequenza costante ${\displaystyle \nu }$ può assumere solo valori pari a:^[9]

${\displaystyle E=nh\nu \,\quad n=0,1,2,3,...}$

A volte è più conveniente usare la velocità angolare ${\displaystyle \omega =2\pi \nu }$, che dà:

${\displaystyle E=n\hbar \omega \,\quad n=0,1,2,3,...}$

Nel caso di un atomo, la quantizzazione del momento angolare determina nello spettro di emissione atomico righe di emissione corrispondenti a una serie di numeri quantici. Dato ${\displaystyle J}$ il momento angolare totale di un sistema con invarianza rotazionale e ${\displaystyle J_{z}}$ il momento angolare misurato lungo ogni data direzione, queste quantità possono assumere solo i valori

${\displaystyle {\begin{matrix}J^{2}=j(j+1)\hbar ^{2},&j=0,1/2,1,3/2,...\\J_{z}=m\hbar ,\qquad \quad &m=-j,-j+1,...,j\end{matrix}}}$

Quindi ${\displaystyle \hbar }$ può essere detta "quanto del momento angolare".

Indeterminazione

Lo stesso argomento in dettaglio: Principio di indeterminazione di Heisenberg.

La costante di Planck entra anche nel limite di accuratezza nella determinazione dei valori di coppie di variabili, come ad esempio la posizione e la quantità di moto, in base al principio di indeterminazione di Heisenberg. L'indeterminazione nella misurazione della posizione ${\displaystyle \Delta x}$ di una particella e l'indeterminazione nella misurazione della sua quantità di moto lungo la stessa direzione ${\displaystyle \Delta p_{x}}$ sono infatti vincolate dalla disuguaglianza:^[10]

${\displaystyle \Delta x\Delta p_{x}\geq {\frac {\hbar }{2}}}$.

Nell'interpretazione più semplice delle relazioni di indeterminazione, le incertezze ${\displaystyle \Delta x}$ e ${\displaystyle \Delta p_{x}}$ sono calcolate come la deviazione standard su di un numero elevato di misure indipendenti delle rispettive grandezze fisiche eseguite su sistemi identici^[11].