Costante di Planck

La costante di Planck, anche detta quanto d'azione e indicata con $h$, è una costante fisica fondamentale della meccanica quantistica. Fu introdotta nei primi anni del novecento da Max Planck e Albert Einstein nello studio della radiazione emessa da un corpo nero come la costante di propozionalità fra l'energia e la frequenza di un fotone.

La costante di Planck ha le dimensioni di un'energia per un tempo e nel sistema di unità di misura delle unità atomiche compone l'unità di misura del momento angolare. Essa permette la quantizzazione di grandezze come l'energia, la quantità di moto e il momento angolare, e la sua scoperta ha avuto un ruolo determinante per la nascita e la successiva evoluzione della meccanica quantistica. Inoltre, è una delle costanti fondamentali che definiscono la costante di struttura fine o costante di Sommerfeld.

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. Il valore scelto è:

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

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

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

Quantizzazione delle grandezze fisiche

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 $E$ trasportata da un'onda elettromagnetica con frequenza costante $\nu$ può assumere solo valori pari a:

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

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

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

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 $J$ il momento angolare totale di un sistema con invarianza rotazionale e $J_{z}$ il momento angolare misurato lungo ogni data direzione, queste quantità possono assumere solo i valori

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

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

Indeterminazione

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 $\Delta x$ di una particella e l'indeterminazione nella misurazione della sua quantità di moto lungo la stessa direzione, $\Delta p_{x}$, sono infatti vincolate dalla disuguaglianza:

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

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

Bibliografia

• Paolo Silvestroni, Fondamenti di chimica, 10ª ed., CEA, 1996, ISBN 88-408-0998-8.

Voci correlate

• Quanto
• Azione (fisica)
• Quantizzazione
• Meccanica quantistica

Collegamenti esterni

• (EN) Costante di Planck, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
• (EN) IUPAC Gold Book, "Planck constant", su goldbook.iupac.org.

Controllo di autorità	GND (DE) 4174790-2