プランク定数

換算プランク定数; ディラック定数; reduced Planck constant; Dirac's constant
記号	ħ
値
相対標準不確かさ	定義値
語源	ポール・ディラック
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プランク定数; Planck constant
記号	h
値	6.62607015×10−34 J s（正確に）
相対標準不確かさ	定義値
語源	マックス・プランク
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プランク定数（プランクていすう、プランクじょうすう、英語: Planck constant）は、光子のもつエネルギーと振動数の比例関係をあらわす比例定数のことで、量子論を特徴付ける物理定数である。量子力学の創始者の一人であるマックス・プランクにちなんで命名された。作用の次元を持ち、作用量子とも呼ばれている。SIにおける単位はジュール秒（記号: J s）である。プランク定数は2019年5月に定義定数となった。

概要[編集]

光子の持つエネルギー（エネルギー量子） $ε$ は振動数 $ν$ に比例し、その比例定数がプランク定数と定義される^[1]。

\epsilon =h\nu

光のエネルギー $E$ は光子の持つエネルギーの倍数の値のみを取り得る。

E=nh\nu

プランク定数の値は

正確に

{\begin{aligned}h&=6.626\,070\,15\times 10^{-34}\,\mathrm {J\,s} \\&=4.135\,667\,696...\times 10^{-15}\,\mathrm {eV\,s} \end{aligned}}

である（2018年CODATA推奨値^[2]^[3]）。

また、プランク定数 $h$ を円周率 $π$ の2倍で割った量 $h / 2 π$ もよく使われるため、「換算プランク定数」、または「ディラック定数」と呼ばれる^[4]。

ディラック定数の値は

{\begin{aligned}\hbar &=1.054\,571\,817...\times 10^{-34}\,\mathrm {J\,s} \\&=6.582\,119\,569\times 10^{-16}\,\mathrm {eV\,s} \end{aligned}}

である（2018年CODATA推奨値^[5]^[6]）。

記号[編集]

プランク定数は、記号 $h$ で表される。この記号はプランクの輻射公式を説明する定数としてプランク自身の論文の中で導入されている。Hilfsgröße（Hilfs＝補助、größe＝大きさ、量）の頭文字に由来する。また専用の記号として ℎ (PLANCK CONSTANT, Unicode U+210E) も用意されている。

ディラック定数の記号は、 $h$ にストローク符号を付けた記号 ħ（H WITH STROKE, LATIN SMALL LETTER、Unicode U+0127、JIS X 0213 1-10-93）が使われる。量の記号にイタリック体を用いる約束に従って、専用の記号として ℏ (PLANCK CONSTANT OVER TWO PI, Unicode U+210F, JIS X 0213 1-3-61) も用意されている。またTeX には数式記号 $\hbar$ （\hbar）が用意されている。 $ħ$ は「エイチバー」と発音される。

記号	Unicode	JIS X 0213	文字参照	名称
ℎ	`U+210E`	`-`	`ℎ` `ℎ`	PLANCK CONSTANT
ℏ	`U+210F`	`1-3-61`	`ℏ` `ℏ`	PLANCK CONSTANT OVER TWO PI

歴史[編集]

黒体放射[編集]

温度 8 mK の黒体のヴィーン、プランク、レイリーの3式の比較

1896年にヴィルヘルム・ヴィーンが黒体放射におけるエネルギー分布に関するヴィーンの放射法則を提案した。この式はそれ以前の実験で得られていた高振動数領域では測定値をよく説明したが、新たに得られた低振動数の領域では合わなかった。1900年にプランクが低振動数領域でも測定値と一致するようにヴィーンの理論式を修正する形でプランクの法則を提案した^[7]^[8]^[9]。高振動数の領域ではヴィーンの理論式に移行する内挿的な公式である。レイリー卿は古典的なエネルギー等分配則から低振動数極限における近似式の形を提案し、ジェームズ・ジーンズがその係数を正しく与えた。レイリー・ジーンズの法則と呼ばれるこの式は、プランクの理論式から導かれる低振動数極限の形と係数を含めて一致した。

プランクが彼の公式の理論的な説明を与える過程で、光のエネルギーの受け渡しは大きさ $hν$ を単位としてのみ起こり得る、という仮定をした^{[注 1]}^{[注 2]}。この $h$ が後にプランク定数と呼ばれるようになった普遍定数である。

光電効果[編集]

アルベルト・アインシュタインはプランクの理論の影響を受け、1905年、光が粒子のような性質を持つという光量子仮説を提唱し光電効果を説明した。光量子仮説では、プランクとは別の方法でエネルギー量子の存在を説明した^[12]。アインシュタインの光電効果の考えは、1916年にロバート・ミリカンによって行われた実験にて確かめられた。ミリカンがこの実験から求めた定数 $h$ の値は、プランクが黒体放射から得た値とよく一致した。

理論[編集]

プランク定数は量子論的な不確定性関係と関わる定数であり、 $h \to 0$ の極限で量子力学が古典力学に一致するなど、量子論を特徴付ける定数である。

軌道角運動量やスピンは常に換算プランク定数の定数倍になっている。例えば、電子のスピンは $\pm ħ / 2$ である。なお、量子力学の分野ではプランク単位系や原子単位系を用いる場合が多く、その場合の電子のスピンは $\pm 1 / 2$ となる。

プランク定数は位置と運動量の積の次元を持ち、不確定性関係から位相空間での面積の最小単位であるとも考えられているが、最近では Zurek らの研究で、量子カオス系においてはプランク定数以下のミクロ構造が現れる事がわかった^[13]。

キログラムの定義[編集]

「SI基本単位の再定義 (2019年)」も参照

従来キログラム（質量の単位）の定義には国際キログラム原器 (IPK) が用いられていたが、2019年5月にプランク定数を用いた新しい定義が施行された。新しい定義においては、プランク定数を実験的にその値が決定される定数ではなく、固定された定義値として扱うこととし、その定義・固定されたプランク定数（ $h = 6966662607015000000♠ 6.62 607015 \times 10 -3 4 J s$ ）と、光速と秒を組み合わせることで、キログラムが導かれるという仕組みになっている。

経緯[編集]

国際度量衡委員会の下部組織である質量関連量諮問委員会による2013年の勧告では、新たな質量の定義を採用する条件として、3つ以上の独立した計測方法（キブル天秤法とX線結晶密度法^[14]を含む）により得られたプランク定数の相対標準不確かさが 50×10⁻⁹ 以下であること、かつ1つ以上の数値の標準不確かさが 20×10⁻⁹ 以下であることが要求されていたが、2017年5月の 16th CCM meeting 時点までにこの条件は達成されている^[15]。

NISTの D. Haddad らは、2015年から2017年にかけて NIST-4 キブル天秤による計測を繰り返した結果として 6966662606993400000♠6.626069934(89)×10⁻³⁴ J s の値を得ており、標準相対不確かさでは 13×10⁻⁹ を達成している^[16]^[17]。

2018年11月の第26回国際度量衡総会 (CGPM) で決議され、2019年 5月20日に施行された新しいSIの定義では、プランク定数は定義定数となった^[18]。

脚注[編集]

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注釈[編集]

^ プランクは光は振動子をもち、その振動によって波を放出すると考えた。ここで言う受け渡しとは振動子と波の間におこるエネルギーの受け渡しの事である^[10]。
^ この仮定が必要となった経緯については東海大学出版会が詳しい^[11]。

出典[編集]

^ 1921年ノーベル物理学賞（アインシュタイン）
^ CODATA Value
^ CODATA Value
^ The American Heritage® Science Dictionary
^ CODATA Value
^ CODATA Value
^ Planck (1900a).
^ Planck (1900b).
^ Planck (1900c).
^ 『熱輻射と量子』, §.M.Planck 非可逆的な輻射現象について.
^ 『熱輻射と量子』, §.M.Planck 正常スペクトル中のエネルギー分布の法則について.
^ Einstein (1969), §.輻射の本質と構造に関するわれわれの見解の発展について.
^ Zurek (2000).
^ 藤井賢一「質量標準の現状とキログラム(kg)の定義改定をめぐる最新動向 (PDF) 」『計測と制御』第53巻第2号、計測自動制御学会、2013年11月5日、 doi:10.11499/sicejl.53.144、 ISSN 1883-8170、 OCLC 984806670。
^ “RECOMMENDATION OF THE CONSULTATIVE COMMITTEE FOR MASS AND RELATED QUANTITIES SUBMITTED TO THE INTERNATIONAL COMMITTEE FOR WEIGHTS AND MEASURES (PDF)”. RECOMMENDATION G 1 (2017) For a new definition of the kilogram in 2018. BIPM. 2018年5月10日閲覧。
^ “New Measurement Will Help Redefine International Unit Of Mass”. ScienceBlog.com (2017年7月2日). 2018年5月10日閲覧。
^ Haddad, Darine; Seifert, Frank; Chao, Leon; Possolo, Antonio; Newell, David B; Pratt, Jon R; Williams, Carl J; Schlamminger, Stephan (2017). “Measurement of the Planck constant at the National Institute of Standards and Technology from 2015 to 2017”. Metrologia (IOP Publishing) 54 (5). doi:10.1088/1681-7575/aa7bf2. ISSN 0026-1394. LCCN 65-9907. OCLC 48198209.
^ A concise summary of the International System of Units, SIBIPM,2019-05-20

参考文献[編集]

原論文[編集]

書籍[編集]

洋書

“dirac's constant”. The American Heritage® Science Dictionary (1st ed.). Boston: Houghton Mifflin Harcourt. (January 25, 2005). ASIN B001P5HDQI. ISBN 0618455043. NCID BA73925776. OCLC 56356196.

和書

『熱輻射と量子』物理学史研究刊行会（編）、前川太市・辻哲夫・江渕文昭訳、東海大学出版会〈物理学古典論分叢書〉、1970年5月。全国書誌番号:69001601。ISBN 4486001117。NCID BN0095811X。OCLC 674052206。ASIN 4486001117。
Einstein, A.『光量子論』物理学史研究刊行会（編）、高田誠二・広重徹・上川友好訳、東海大学出版会〈物理学古典論分叢書〉、1969年4月。全国書誌番号:21579698。ISBN 4486001125。NCID BN00957809。OCLC 675079787。ASIN 4486001125。

外部リンク[編集]

BIPM
- “Draft Resolution A - 26th meeting of the CGPM (13-16 November 2018) (PDF)”. BIPM (2018年2月6日). 2018年5月9日閲覧。
- “A concise summary of the International System of Units, SI (PDF)”. BIPM (2018年2月6日). 2018年5月9日閲覧。
CODATA Value
- “Planck constant”. 2015年6月27日閲覧。
- “Planck constant in eV s”. 2015年6月27日閲覧。
- “Planck constant over 2 pi”. 2015年6月27日閲覧。
- “Planck constant over 2 pi in eV s”. 2015年6月27日閲覧。
“The Nobel Prize in Physics 1921”. 2013年12月28日閲覧。

[11] プランクは光は振動子をもち、その振動によって波を放出すると考えた。ここで言う受け渡しとは振動子と波の間におこるエネルギーの受け渡しの事である^[10]。

[13] この仮定が必要となった経緯については東海大学出版会が詳しい^[11]。

[1] 1921年ノーベル物理学賞（アインシュタイン）

[2] CODATA Value

[3] CODATA Value

[4] The American Heritage® Science Dictionary

[5] CODATA Value

[6] CODATA Value

[FOOTNOTEPlanck1900a-7] Planck (1900a).

[FOOTNOTEPlanck1900b-8] Planck (1900b).

[FOOTNOTEPlanck1900c-9] Planck (1900c).

[10] 『熱輻射と量子』, §.M.Planck 非可逆的な輻射現象について.

[12] 『熱輻射と量子』, §.M.Planck 正常スペクトル中のエネルギー分布の法則について.

[FOOTNOTEEinstein1969&sect;.輻射の本質と構造に関するわれわれの見解の発展について-14] Einstein (1969), §.輻射の本質と構造に関するわれわれの見解の発展について.

[FOOTNOTEZurek2000-15] Zurek (2000).

[16] 藤井賢一「質量標準の現状とキログラム(kg)の定義改定をめぐる最新動向 (PDF) 」『計測と制御』第53巻第2号、計測自動制御学会、2013年11月5日、 doi:10.11499/sicejl.53.144、 ISSN 1883-8170、 OCLC 984806670。

[:0-17] “RECOMMENDATION OF THE CONSULTATIVE COMMITTEE FOR MASS AND RELATED QUANTITIES SUBMITTED TO THE INTERNATIONAL COMMITTEE FOR WEIGHTS AND MEASURES (PDF)”. RECOMMENDATION G 1 (2017) For a new definition of the kilogram in 2018. BIPM. 2018年5月10日閲覧。

[18] “New Measurement Will Help Redefine International Unit Of Mass”. ScienceBlog.com (2017年7月2日). 2018年5月10日閲覧。

[19] Haddad, Darine; Seifert, Frank; Chao, Leon; Possolo, Antonio; Newell, David B; Pratt, Jon R; Williams, Carl J; Schlamminger, Stephan (2017). “Measurement of the Planck constant at the National Institute of Standards and Technology from 2015 to 2017”. Metrologia (IOP Publishing) 54 (5). doi:10.1088/1681-7575/aa7bf2. ISSN 0026-1394. LCCN 65-9907. OCLC 48198209.

[20] A concise summary of the International System of Units, SIBIPM,2019-05-20

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[注 1]

[注 2]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[10]

[11]