Енергийн квантове са най-малките единици на енергия, които могат да бъдат прехвърлени или разменяни в физически процеси. Те са сградителни блокове на квантовата физика, която описва поведението на материята и енергията на субатомно ниво. Енергийните квантове са известни също като квантове, кванта или пакети енергия.

Квантовата физика възникна в началото на 20-ти век като нова грана на физиката, която предизвика класическата физика на Нютон и Максуел. Класическата физика не можеше да обясни някои явления, като излъчването на светлина от затоплени обекти, стабилността на атоми, и дискретните образци на спектрални линии. Квантовата физика въведе концепцията за квантизиране, което означава, че някои физически свойства могат да приемат само дискретни стойности, а не непрекъснати.

В тази статия ще разгледаме произхода и значението на енергийните квантове, както и как те се отнасят до светлината, атомите и радиацията.

Провалът на класическата физика

Една от проблемите, пред които се изправяше класическата физика, беше обяснението на структурата и поведението на атомите. Според класическата физика, атомът се състои от положително зареден ядро, заобиколено от отрицателно заредени електрони, които обикалят около него като планети около слънцето. Силата, която задържа електроните в техните орбити, е балансът между законът на Кулон, който ги привлича към ядрото, и центробежната сила, която ги отблъсква.

Однако, този модел имаше голям недостатък: според класическата електромагнитна теория, ускорявано заредено частице излъчва електромагнитна радиация. Това означава, че обикалящият електрон трябва да губи енергия и да се върти в ядрото, което би направило атомите нестабилни и да се срутят. Това очевидно не се случва в реалността, така че класическата физика не можеше да обясни стабилността на атомите.

Друг проблем, пред който се изправяше класическата физика, беше обяснението на излъчването на светлина от затоплени обекти, известно като черно-телево излъчване. Според класическата физика, черното тяло е идеален обект, който абсорбира всички входящи радиации и излъчва радиация на всички честоти в зависимост от температурата му. Интензитетът на излъчваната радиация трябва да се увеличава непрекъснато с честотата, според формула, изведена от Рејли и Джинс.

Однако, тази формула предвиждаше, че черното тяло ще излъчва безкрайни количества енергия при високи честоти, което противоречеше на експерименталните наблюдения. Този парадокс беше известен като ултравиолетовата катастрофа, защото подразбираше, че черното тяло ще излъчва повече ултравиолетова радиация, отколкото видима светлина.

Класическата физика не успя да обобщи тези явления, защото допускаше, че енергията може да бъде прехвърлена или разменяна във всякакво количество, независимо от честотата или дължината на вълната. Но това допускане оказа се грешно, когато квантовата физика въведе концепцията за енергийни квантове.

Откритието на енергийните квантове

Концепцията за енергийните квантове беше предложена за пръв път от Макс Планк през 1900 година, когато изучаваше черно-телевото излъчване. За да реши ултравиолетовата катастрофа, той предложи, че енергията може да бъде излъчвана или абсорбирана само в дискретни пакети, вместо непрекъснато. Той нарече тези пакети "квантове" или "елементи на енергия", и свърза техната енергия с честотата им посредством проста формула:

E = hf

Където E е енергията на един квант, f е честотата му, а h е константа, която сега е известна като постоянна на Планк (6.626 x 10^-34 J s).

Формулата на Планк предполагаше, че черното тяло може да излъчва само определени честоти на радиация в зависимост от температурата му, и че по-високите честоти изискват по-големи количества енергия. Това обяснява защо черното тяло не излъчва безкрайни количества ултравиолетова радиация, защото биха му бил необходими безкрайни количества енергия, за да го направи.

Идеята на Планк беше революционна, защото предполагаше, че енергията е квантифицирана, което означава, че може да приема само дискретни стойности, които са кратни на постоянна на Планк. Това противоречеше на класическата физика, която допускаше, че енергията може да приема всяка стойност.

Идеята на Планк беше допълнително подкрепена от Альберт Айнштайн през 1905 година, когато обобщи друго явление, което класическата физика не можеше: фотоелектрическия ефект.

Фотоелектрическият ефект е излъчването на електрони от метална повърхност, когато тя е изложена на светлина. Според класическата физика, броят и енергията на излъчваните електрони трябва да зависят съответно от интензитета и дължината на вълната на светлината.

Однако, експериментите показаха, че това не е вярно: вместо това, броят на излъчваните електрони зависи от честотата на светлината, и има минимална честота, под която не се излъчват никакви електрони. Енергията на излъчваните електрони зависи както от честотата, така и от интензитета: по-висока честота означава по-голяма енергия, докато по-голям интензитет означава повече електрони.

Айнштайн обобщи това, разширявайки идеята на Планк и допускайки, че самата светлина е квантифицирана в пакети, наречени фотони.

Той предложи, че всеки фотон има енергия, пропорционална на честотата му, дадена от същата формула като Планк:

E = hf

Той също предложи, че когато фотон удари метална повърхност, той може да прехвърли своето енергия на електрон. Ако енергията на фотона е по-голяма или равна на работна функция на метала, която е минималната енергия, необходима за излъчване на електрон от повърхността, тогава електронът ще бъде излъчен с кинетична енергия, равна на разликата:

KE = hf – Φ

Където KE е кинетичната енергия на фотоелектрона, а Φ е работната функция на метала.

Обобщението на Айнштайн на фотоелектрическия ефект показа, че светлината се държи като частица, когато взаимодейства с материята, и че нейната енергия е квантифицирана в фотони. Това беше радикален отход от класическата физика, която третирала светлината като непрекъсната вълна.

Теорията на Айнштайн за фотоелектрическия ефект беше потвърдена експериментално от Робърт Милликан през 1916 година, който измери кинетичната енергия на фотоелектроните като функция на честотата и интензитета на светлината. Той установи, че резултатите съвпадат с предвижданията на Айнштайн и че има линейна връзка между кинетичната енергия и честотата, с наклон, равен на постоянна на Планк.

Значението на енергийните квантове

Откритието на енергийните квантове беше голям напредък във физиката, тъй като разкри, че материята и енергията не са отделни същности, а различни аспекти на една и съща реалност. То също показа, че физическите явления на субатомно ниво не могат да бъдат обяснени от класическата физика, която допуска, че материята и енергията са непрекъснати и детерминистични.

Енергийните квантове са важни за разбирането на много аспекти на квантовата физика, като атомна структура, спектрални линии, химични връзки, лазери и квантово тунелиране. Те също имат много практически приложения в области като науката за материалите, нанотехнологии, електроника и медицина.

Например, енергийните квантове се използват за създаване на устройства като фотovoltaic клетки, които преобразуват светлина в електричество; фотомултипликационни труби, които усиливат слаби сигнали на светлина; и диоди, които произвеждат светлина от електричество. Енергийните квантове се използват също за измерване на свойства като температура, налягане, радиация и магнитни полета.

Енергийните квантове са също важни за изучаване на явления като ядрен делене и сливане, които включват преобразуване на маса в енергия, според известната уравнение на Айнштайн:

E = mc^2

Където E е освободената или абсорбираната енергия, m е разликата в масата преди и след реакцията, а c е скоростта на светлината.

Енергийните квантове са също включени в процеси като радиоактивен разпад, който се случва