Wyk³adyzFizyki 15 Sta³e Uniweralne iJednostki ZbigniewOsiak ORCID Linki do moich publikacji naukowych i popularnonaukowych, e-booków oraz audycji telewizyjnych i radiowych są dostępne w bazie ORCID pod adresem internetowym: http://orcid.org/0000-0002-5007-306X OZACZEIA B – notka biograficzna C – ciekawostka D – propozycja wykonania doświadczenia H – informacja dotycząca historii fizyki I – adres strony internetowej K – komentarz P – przykład U – uwaga (Tekst) Zbigniew Osiak WYKŁADY Z FIZYKI Stałe Uniwersalne i Jednostki (Ilustracje) Małgorzata Osiak © Copyright 2013 by Zbigniew Osiak (text) and Małgorzata Osiak (illustrations) Wszelkie prawa zastrzeżone. Rozpowszechnianie i kopiowanie całości lub części publikacji zabronione bez pisemnej zgody autora tekstu i autorki ilustracji. Portret autora zamieszczony na okładkach przedniej i tylnej Rafał Pudło Wydawnictwo: Self Publishing ISBN: 978-83-272-3970-9 e-mail: [email protected] Wstęp 05 “Wykłady z Fizyki – Stałe Uniwersalne i Jednostki ” są ostatnim z piętnastu tomów pomocniczych materiałów do jednorocznego kursu fizyki prowadzonego przeze mnie na różnych kierunkach inżynierskich. W ostatnim tomie zostały zebrane stałe uniwersalne i jednostki, które pojawiały się w prezentowanym kursie fizyki. Uzupełnieniem piętnastego (ostatniego) tomu są eBooki: Z. Osiak: Encyklopedia Fizyki . Self Publishing (2012). Z. Osiak: Zadania Problemowe z Fizyki . Self Publishing (2011). Z. Osiak: Angielsko-polski i polsko-angielski słownik terminów fizycznych. Self Publishing (2011). Zapis wszystkich trzydziestu wykładów zgrupowanych w piętnastu tomach zostanie zamieszczony w internecie w postaci eBooków. Wstęp 06 Z. Osiak: Wykłady z Fizyki – Mechanika. Z. Osiak: Wykłady z Fizyki – Akustyka. Z. Osiak: Wykłady z Fizyki – Hydromechanika. Z. Osiak: Wykłady z Fizyki – Grawitacja. Z. Osiak: Wykłady z Fizyki – Termodynamika. Z. Osiak: Wykłady z Fizyki – Elektryczność. Z. Osiak: Wykłady z Fizyki – Magnetyzm. Z. Osiak: Wykłady z Fizyki – Elektromagnetyzm. Z. Osiak: Wykłady z Fizyki – Optyka. Z. Osiak: Wykłady z Fizyki – Kwanty. Z. Osiak: Wykłady z Fizyki – Ciało Stałe. Z. Osiak: Wykłady z Fizyki – Jądra. Z. Osiak: Wykłady z Fizyki – Cząstki Elementarne. Z. Osiak: Wykłady z Fizyki – Teoria Względności. Z. Osiak: Wykłady z Fizyki – Stałe Uniwersalne i Jednostki. Wykład 30 Stałe uniwersalne i jednostki dr Zbigniew Osiak Plan wykładu 08 •Stałe uniwersalne 09 •Jednostki 34 Stałe uniwersalne 09 •Elementarny ładunek elektryczny 11 •Komptonowska długość fali 12 •Liczba Avogadra 13 •Liczba Loschmidta 14 •Magneton Bohra 15 •Masa elektronu 16 •Masa neutronu 17 •Masa protonu 18 •Przenikalność elektryczna próżni 19 •Przenikalność magnetyczna próżni 20 •Stała Boltzmanna 21 •Stała Coulomba 22 •Stała Faradaya 23 •Stała gazowa 24 •Stała grawitacyjna 25 •Stała Plancka 26 Stałe uniwersalne 10 •Stała Richardsona 27 •Stała Rydberga 28 •Stała Stefana-Boltzmanna 29 •Stała struktury subtelnej 30 •Stała Wiena 31 •Stałe uniwersalne 32 •Wartość prędkości światła w próżni 33 Elementarny ładunek elektryczny 11 •Elementarny ładunek elektryczny (e) ⇔ bezwzględna wartość ładunku elektronu. Elementarny ładunek elektryczny jest fundamentalną stałą uniwersalną. e =1,60217653⋅10−19 C Komptonowska długość fali 12 •Komptonowska długość fali (λ C) ⇔ współczynnik proporcjonalności, we wzorze opisującym przyrost długości światła rozproszonego w wyniku zjawiska Comptona, będący kombinacją masy elektronu (m e), stałej Plancka (h) oraz wartości prędkości światła w próżni w układzie inercjalnym (c). h −12 λC = = 2,426310238⋅10 m mec B Arthur Holly Compton (1892-1962), amerykański fizyk, laureat Nagrody Nobla w 1927. Liczba Avogadra 13 •Liczba Avogadra (N A) ⇔ liczba cząsteczek znajdujących się w jednym molu substancji. Liczba Avogadra jest fundamentalną stałą uniwersalną. 1 N = 6,0221415⋅1023 A mol B Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro di Quaregna (1776- 1856), włoski fizyk i chemik. Liczba Loschmidta 14 •Liczba Loschmidta (N L) ⇔ liczba cząsteczek gazu doskonałego znajdujących się w jednym metrze sześciennym w warunkach normalnych (273,15 K; 101,325 kPa). 25 −3 NL = 2,6867773⋅10 m B Johann Josef Loschmidt (1821-1895), austriacki chemik. Magneton Bohra 15 •Magneton Bohra (µB) ⇔ stała, mająca wymiar momentu magnetycznego, wyrażona przez elementarny ładunek elektryczny (e), stałą Plancka (h) oraz masę elektronu (m e). h eh e −24 2 µ B = = = 9,27400949 ⋅10 A ⋅m 4πme 2me P Rzut spinowego momentu magnetycznego elektronu na kierunek wektora ( B) pola magnetycznego, w którym znajduje się elektron, może przyjmować tylko wartość (+µ B) lub (–µ B). B Niels Henrik David Bohr (1885-1962), duński fizyk, laureat Nagrody Nobla z fizyki w 1922. Masa elektronu 16 •Masa elektronu (m e) −31 me = 9,1093826 ⋅10 kg •Masa elektronu jest fundamentalną stałą uniwersalną. Masa neutronu 17 •Masa neutronu (mn) −27 mn =1,67492728⋅10 kg Masa protonu 18 •Masa protonu (mp) −27 mp =1,67262171⋅10 kg Przenikalność elektryczna próżni 19 •Przenikalność elektryczna próżni (ε 0) ⇔ fundamentalna stała uniwersalna pojawiająca się w równaniach elektrodynamiki, zwana też stałą elektryczną. F F ε = 8,854187817⋅10−12 ≈ 8,85⋅10−12 0 m m Przenikalność magnetyczna próżni 20 •Przenikalność magnetyczna próżni (µ 0) ⇔ stała uniwersalna pojawiająca się w równaniach elektrodynamiki, zwana też stałą magnetyczną. 1 −7 N µ0 = 2 = 4 ⋅π 10 2 ε0c A Stała Boltzmanna 21 •Stała Boltzmanna (k, k B) ⇔ fundamentalna stała uniwersalna pojawiająca się w równaniach termodynamiki. R J k = =1,3806505⋅10−23 NA K •R – stała gazowa •NA – liczba Avogadra B Ludwig Eduard Boltzmann (1844-1906), austriacki fizyk teoretyk. Stała Coulomba 22 •Stała Coulomba (k) ⇔ współczynnik proporcjonalności w prawie Coulomba. Stała Coulomba pojawia się również w innych równaniach elektrodynamiki. 2 2 1 9 N ⋅m 9 N ⋅m k = = 8,9875529⋅10 2 ≈ 9⋅10 2 4πε0 C C B Charles Augustin de Coulomb (1736-1806), francuski fizyk. Stała Faradaya 23 •Stała Faradaya (F) ⇔ stała pojawiająca się między innymi w drugim prawie elektrolizy Faradaya oraz w definicji potencjału elektrochemicznego. C F = N e = 9,64853383⋅107 A kmol •e – elementarny ładunek elektryczny •NA – liczba Avogadra B Michael Faraday (1791-1867), brytyjski fizyk i chemik. Stała gazowa 24 •Stała gazowa (R) ⇔ stała w równaniu stanu gazu doskonałego oraz w wielu innych równaniach termodynamiki. J R = kN = 8,314472 A mol ⋅K •k – stała Boltzmanna •NA – liczba Avogadra Stała grawitacyjna 25 •Stała grawitacyjna (G) ⇔ współczynnik proporcjonalności w prawie powszechnego ciążenia oraz w wielu innych równaniach związanych z oddziaływaniami grawitacyjnymi. Stała grawitacyjna jest fundamentalną stałą uniwersalną. m3 G = 6,6742⋅10−11 kg ⋅s2 Stała Plancka 26 •Stała Plancka (h) ⇔ fundamentalna stała uniwersalna, występująca w równaniach fizyki kwantowej. h = 6,6260693⋅10−34 J ⋅s = 4,13566743 ⋅10−15 eV⋅s h h = =1,05457168⋅10−34 J ⋅s = 6,58211915 ⋅10−16 eV ⋅s 2π •Stała (ħ) nazywana jest zredukowaną stałą Plancka lub “h kreślone”, a jej symbol wprowadził Dirac. B Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947), niemiecki fizyk teoretyk, laureat Nagrody Nobla z fizyki w 1918. B Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984), angielski fizyk teoretyk, laureat Nagrody Nobla z fizyki w 1933. Stała Richardsona 27 •Stała Richardsona (C) ⇔ współczynnik proporcjonalności w prawie Richardsona. 4πm k 2 A C = e =1,20173⋅106 h3 m2 ⋅K 2 •me – masa elektronu •k – stała Boltzmanna •h – stała Plancka B Sir Owen Willans Richardson (1879-1959), angielski fizyk, laureat Nagrody Nobla z fizyki w 1928. Stała Rydberga 28 •Stała Rydberga (R ∞) ⇔ współczynnik proporcjonalności we wzorze opisującym serie widmowe atomu wodoru, będący kombinacją masy elektronu (m e), elementarnego ładunku elektrycznego (e), przenikalności elektrycznej próżni (ε 0), stałej Plancka (h) oraz wartości prędkości światła w próżni (c). 4 mee 1 R ∞ = 2 3 =10 973 731,568525 ε 8 ε 0h c m B Johannes Robert Rydberg (1854-1919), szwedzki fizyk. Stała Stefana-Boltzmanna 29 •Stała Stefana-Boltzmanna (σ) ⇔ współczynnik proporcjonalności w prawie Stefana-Boltzmanna, będący kombinacją stałej Plancka (h), wartości prędkości światła w próżni (c) oraz stałej Boltzmanna (k). 2 π5k 4 W σ = = 5,670400⋅10−8 15 h3c2 m2 ⋅K 4 B Josef Stefan (1835-1893), austriacki fizyk. B Ludwig Eduard Boltzmann (1844-1906), austriacki fizyk teoretyk. Stała struktury subtelnej 30 •Stała struktury subtelnej (α) ⇔ bezwymiarowa stała fizyczna wprowadzona przez Sommerfelda, będąca kombinacją elementarnego ładunku elektrycznego (e), stałej Plancka (h), wartości prędkości światła w próżni (c) oraz przenikalności elektrycznej próżni (ε 0) lub przenikalności magnetycznej próżni (µ 0). e2 e2cµ 1 α = = 0 = 7,297352568⋅10−3 ≈ 2ε0hc 2h 137 B Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld (1868-1951), niemiecki fizyk. Stała Wiena 31 •Stała Wiena (b) ⇔ stała występująca w prawie przesunięć Wiena. hc 1 b = ⋅ = 2,8977685⋅10−3 m⋅K k 4,965114231 •h – stała Plancka •k – stała Boltzmanna •c – wartość prędkości światła w próżni B Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien (1864-1928), niemiecki fizyk, laureat Nagrody Nobla z fizyki w 1911. Stałe uniwersalne 32 •Stałe uniwersalne ⇔ wielkości skalarne, których wartości są stałe w całym wszechświecie. Fundamentalnymi stałymi uniwersalnymi są: stała Plancka, stała grawitacyjna, wartość prędkości światła w próżni, przenikalność elektryczna próżni, elementarny ładunek elektryczny, masa elektronu, stała Boltzmanna oraz liczba Avogadra. Inne znane stałe uniwersalne, jak na przykład komptonowska długość fali, magneton Bohra, przenikalność magnetyczna próżni, stała Coulomba, stała Faradaya, stała