Els quanta d'energia són les unitats més petites d'energia que es poden transferir o intercanviar en processos físics. Són els blocs de construcció de la física quàntica, que descriu el comportament de la matèria i l'energia a nivell subatòmic. Els quanta d'energia també són coneguts com a quanta, quàntum o paquets d'energia.

La física quàntica va emergir al principi del segle XX com una nova branca de la física que desafiava la física clàssica de Newton i Maxwell. La física clàssica no podia explicar alguns fenòmens, com l'emissió de llum d'objectes calentats, la estabilitat dels àtoms, i els patrons discrets de línies espectrals. La física quàntica va introduir el concepte de quantització, que significa que algunes propietats físiques només poden prendre valors discrets, en lloc de continus.

En aquest article, explorarem l'origen i la importància dels quanta d'energia, i com es relacionen amb la llum, els àtoms i la radiació.

El fracàs de la física clàssica

Un dels problemes que la física clàssica va trobar era explicar l'estructura i el comportament dels àtoms. Segons la física clàssica, un àtom consta d'un nucli carregat positivament envoltat per electrons carregats negativament que orbiten al voltant seu com planetes al voltant del sol. La força que manté els electrons en les seves òrbites és l'equilibri entre la força de Coulomb, que els atrau cap al nucli, i la força centrífuga, que els allunya.

Tanmateix, aquest model tenia un gran defecte: segons la teoria electromagnética clàssica, una partícula carregada accelerada emet radiació electromagnètica. Això significa que un electron orbitant hauria de perdre energia i espiral·lar-se cap al nucli, el que faria que els àtoms fossin instables i col·lapsin. Això obviament no passa en realitat, per tant, la física clàssica no podia justificar la estabilitat dels àtoms.

Un altre problema que la física clàssica va trobar era explicar l'emissió de llum d'objectes calentats, conegut com a radiació de cos negre. Segons la física clàssica, un cos negre és un objecte ideal que absorbeix tota la radiació entrant i emet radiació a totes les freqüències depenent de la seva temperatura. L'intensitat de la radiació emesa hauria d'augmentar contínuament amb la freqüència, segons una fórmula derivada per Rayleigh i Jeans.

No obstant això, aquesta fórmula preveia que un cos negre emissaria quantitats infinites d'energia a freqüències altes, el que contradia les observacions experimentals. Aquesta paradoxa era coneguda com a catàstrofe ultraviolada perquè implicava que un cos negre emissaria més radiació ultraviolada que llum visible.

La física clàssica no podia explicar aquests fenòmens perquè assumia que l'energia podia ser transferida o intercanviada en qualsevol quantitat, independentment de la seva freqüència o longitud d'ona. Tanmateix, aquesta suposició va resultar incorrecta quan la física quàntica va introduir el concepte de quanta d'energia.

El descobriment dels quanta d'energia

El concepte de quanta d'energia va ser proposat primer per Max Planck el 1900 quan estava estudiant la radiació de cos negre. Per resoldre la catàstrofe ultraviolada, va suggerir que l'energia només podia ser emesa o absorbida en paquets discrets, en lloc de manera contínua. Va anomenar aquests paquets "quanta" o "elements d'energia", i va relacionar la seva energia amb la seva freqüència mitjançant una fórmula simple:

E = hf

On E és l'energia d'un quàntum, f és la seva freqüència, i h és una constant que ara es coneix com a constant de Planck (6,626 x 10^-34 J s).

La fórmula de Planck implicava que un cos negre només podia emetre certes freqüències de radiació depenent de la seva temperatura i que les freqüències més altes requereixen quantitats més grans d'energia. Això explica per què un cos negre no emet quantitats infinites de radiació ultraviolada, ja que necessitaria quantitats infinites d'energia per fer-ho.

L'idea de Planck era revolucionària perquè suggeria que l'energia és quantitzada, volent dir que només pot prendre valors discrets que són múltiples de la constant de Planck. Això contradia la física clàssica, que assumia que l'energia podia prendre qualsevol valor.

L'idea de Planck va ser més endavant suportada per Albert Einstein el 1905 quan va explicar un altre fenòmen que la física clàssica no podia: l'efecte fotoelèctric.

L'efecte fotoelèctric és l'emissió d'electrons d'una superfície metàl·lica quan aquesta és exposada a la llum. Segons la física clàssica, el nombre i l'energia dels electrons emesos haurien de depenir de la intensitat i la longitud d'ona de la llum, respectivament.

No obstant això, els experiments van mostrar que això no era cert: en canvi, el nombre d'electrons emesos depenia de la freqüència de la llum, i hi havia una freqüència mínima per davall de la qual no es produïa cap emissió d'electrons. L'energia dels electrons emesos depenia tant de la freqüència com de la intensitat: una freqüència més alta significava més energia, mentre que una intensitat més alta significava més electrons.

Einstein ho va explicar ampliant l'idea de Planck i assumint que la llum mateixa és quantitzada en paquets anomenats fotons.

Va suggerir que cada foton té una energia proporcional a la seva freqüència, donada per la mateixa fórmula de Planck:

E = hf

També va proposar que quan un foton impacta una superfície metàl·lica, pot transferir la seva energia a un electró. Si l'energia del foton és major o igual a la funció de treball del metall, que és l'energia mínima requerida per eixir un electró de la superfície, llavors l'electró serà emès amb una energia cinètica igual a la diferència:

EC = hf – Φ

On EC és l'energia cinètica del fotoelectró, i Φ és la funció de treball del metall.

L'explicació d'Einstein de l'efecte fotoelèctric va demostrar que la llum es comporta com una partícula quan interacciona amb la matèria i que la seva energia està quantitzada en fotons. Això era una ruptura radical amb la física clàssica, que tractava la llum com una ona contínua.

La teoria d'Einstein de l'efecte fotoelèctric va ser confirmada experimentalment per Robert Millikan el 1916, qui va mesurar l'energia cinètica dels fotoelectrons en funció de la freqüència i la intensitat de la llum. Va trobar que els resultats concordaven amb les prediccions d'Einstein i que hi havia una relació lineal entre l'energia cinètica i la freqüència, amb una pendent igual a la constant de Planck.

La importància dels quanta d'energia

El descobriment dels quanta d'energia va ser un gran avanç en la física, ja que va revelar que la matèria i l'energia no són entitats separades, sinó aspectes diferents de la mateixa realitat. També va mostrar que els fenòmens físics a nivell subatòmic no poden ser explicats per la física clàssica, que assumeix que la matèria i l'energia són contínues i deterministes.

Els quanta d'energia són essencials per entendre molts aspectes de la física quàntica, com l'estructura atòmica, les línies espectrals, els enllaços químics, els lasers i el túnel quàntic. També tenen moltes aplicacions pràctiques en camps com la ciència dels materials, la nanotecnologia, l'electrònica i la medicina.

Per exemple, els quanta d'energia s'utilitzen per crear dispositius com cèl·lules fotovoltàiques, que converteixen la llum en electricitat; tubs fotomultiplicadors, que amplifiquen senyals febles de llum; i diodes electrolluminiscent (LEDs), que produeixen llum a partir de l'electricitat. Els quanta d'energia també s'utilitzen per mesurar propietats com la temperatura, la pressió, la radiació i els camps magnètics.

Els quanta d'energia també són importants per estudiar fenòmens com la fissió i fusió nuclear, que involucren la conversió de massa en energia segons l'equació famosa d'Einstein:

E = mc^2

On E és l'energia liberada o absorbida, m és la diferència de massa abans i després de la reacció, i c és la velocitat de la llum.

Els quanta d'energia també estan implicats en processos com la desintegració radioactiva, que ocorre quan un nucli inestable emet partícules o fotons; i la producció de parells, que ocorre quan un foton d'alta energia crea un parell electró-positrò.

Conclusió

Els quanta d'energia són les unitats més petites d'energia que es poden transferir o intercanviar en processos físics. Són els blocs de construcció de la física quàntica, que descriu el comportament de la matèria i l'energia a nivell subatòmic.

El concepte de quanta d'energia va ser proposat primer per Max Planck el 1900 per explicar la radiació de cos negre i més tard ampliat per Albert Einstein el 1905 per explicar l'efecte fotoelèctric. Aquests fenòmens van demostrar que l'energia és quantitzada, volent dir que només pot prendre valors discrets que són múltiples de la constant de Planck.

El descobriment dels quanta d'energia va desafiar la física clàssica, que assumia que l'energia podia prendre qualsevol valor i que la llum es comporta com una ona contínua. També va revelar que la matèria i l'energia no són entitats separades, sinó aspectes diferents de la mateixa realitat.

Declaració: Respecteu l'original, els bons articles mereixen ser compartits, si hi ha infracció contacteu per eliminar.