Energetická kvantum jsou nejmenší jednotky energie, které lze přenést nebo vyměnit v fyzikálních procesech. Jsou stavebními kameny kvantové fyziky, která popisuje chování hmoty a energie na subatomové úrovni. Energetická kvantum jsou také známá jako kvanta, kvanty nebo balíčky energie.

Kvantová fyzika vznikla na počátku 20. století jako nová větev fyziky, která vyzývala klasickou fyziku Newtona a Maxwella. Klasická fyzika nemohla vysvětlit některé jevy, jako je emise světla z ohřátých objektů, stabilita atomů a diskrétní vzory spektrálních čar. Kvantová fyzika zavedla koncept kvantizace, což znamená, že některé fyzikální vlastnosti mohou nabývat pouze diskrétních hodnot, nikoli spojitých.

V tomto článku se podíváme na původ a význam energetických kvant a jak se týkají světla, atomů a záření.

Selhání klasické fyziky

Jedním z problémů, kterým klasická fyzika čelila, bylo vysvětlení struktury a chování atomů. Podle klasické fyziky se atom skládá z pozitivně nabitého jádra obklopeného negativně nabitymi elektrony, které obíhají jádro jako planety Slunce. Síla, která udržuje elektrony v jejich oběžných drahách, je rovnováha mezi Coulombovou silou, která je přitahuje k jádru, a odstředivou silou, která je od něj odkládá.

Nicméně, tento model měl velkou vadu: podle klasické elektromagnetické teorie emituje akcelerovaný nabité částice elektromagnetické záření. To znamená, že obíhající elektron by měl ztrácet energii a spirálovitě padat do jádra, což by dělalo atomy nestabilními a vedlo by k jejich kolapsu. To ovšem v reálném světě neprobíhá, takže klasická fyzika nemohla vysvětlit stabilitu atomů.

Dalším problémem, s kterým klasická fyzika čelila, bylo vysvětlení emise světla z ohřátých objektů, známé jako černotělesné záření. Podle klasické fyziky je černé tělo ideální objekt, který absorbuje všechno přicházející záření a emituje záření ve všech frekvencích v závislosti na jeho teplotě. Intenzita emitovaného záření by měla spojitě narůstat s frekvencí podle vzorce odvozeného Rayleighem a Jeansem.

Tento vzorec však předpovídal, že černé tělo by emitovalo nekonečné množství energie vysokých frekvencí, což bylo v rozporu s experimentálními pozorováními. Tento paradox byl znám jako ultraviolettová katastrofa, protože naznačoval, že černé tělo by emitovalo více ultraviolettového záření než viditelného světla.

Klasická fyzika selhala vysvětlit tyto jevy, protože předpokládala, že energie může být přenášena nebo vyměňována v libovolném množství, bez ohledu na její frekvenci nebo vlnovou délku. Nicméně, tento předpoklad se ukázal být špatný, když kvantová fyzika zavedla koncept energetických kvant.

Objev energetických kvant

Koncept energetických kvant byl poprvé navržen Maxem Planckem v roce 1900, kdy studoval černotělesné záření. Aby vyřešil ultraviolettovou katastrofu, navrhl, že energie může být emitována nebo absorbována pouze v diskrétních paketech, nikoli spojitě. Tyto pakety nazval „kvanta“ nebo „energetické prvky“ a propojil jejich energii s jejich frekvencí pomocí jednoduchého vzorce:

E = hf

Kde E je energie kvantu, f je jeho frekvence a h je konstanta, která je nyní známa jako Planckova konstanta (6,626 x 10^-34 J s).

Planckův vzorec naznačoval, že černé tělo může emitovat pouze určité frekvence záření v závislosti na jeho teplotě a že vyšší frekvence vyžadují vyšší množství energie. To vysvětluje, proč černé tělo neemituje nekonečné množství ultraviolettového záření, protože by k tomu potřebovalo nekonečné množství energie.

Planckův nápad byl revoluční, protože naznačoval, že energie je kvantizována, což znamená, že může nabývat pouze diskrétních hodnot, které jsou násobky Planckovy konstanty. To bylo v rozporu s klasickou fyzikou, která předpokládala, že energie může nabývat jakékoli hodnoty.

Planckův nápad byl dále podpořen Albertem Einsteinem v roce 1905, kdy vysvětlil další jev, který klasická fyzika nemohla: fotoelektrický jev.

Fotoelektrický jev je emise elektronů z povrchu kovu, když je expozován světlu. Podle klasické fyziky by mělo záviset počet a energie emitovaných elektronů na intenzitě a vlnové délce světla, respektive.

Nicméně, experimenty ukázaly, že toto není pravda: místo toho závisel počet emitovaných elektronů na frekvenci světla a existovala minimální frekvence, pod kterou nebyly žádné elektrony emitovány vůbec. Energie emitovaných elektronů závisela na obou frekvenci a intenzitě: vyšší frekvence znamenala vyšší energii, zatímco vyšší intenzita znamenala více elektronů.

Einstein to vysvětlil rozšířením Planckova názoru a předpokladem, že samotné světlo je kvantizováno do paketů zvaných fotony.

Navrhl, že každý foton má energii proporcionální jeho frekvenci, danou stejným vzorcem jako Planck:

E = hf

Navrhl také, že když foton zasáhne povrch kovu, může přenést svou energii na elektron. Pokud je energie fotonu větší nebo rovna pracovní funkci kovu, která je minimální energie potřebná k vyvržení elektronu z povrchu, pak bude elektron emitován s kinetickou energií rovnou rozdílu:

KE = hf – Φ

Kde KE je kinetická energie fotoelektronu a Φ je pracovní funkce kovu.

Einsteinovo vysvětlení fotoelektrického jevu ukázalo, že světlo se chová jako částice, když interaguje s hmotou, a že jeho energie je kvantizována do fotonů. Byl to radikální odchod od klasické fyziky, která považovala světlo za spojitou vlnu.

Einsteinova teorie fotoelektrického jevu byla v roce 1916 experimentálně potvrzena Robertem Millikanem, který změřil kinetickou energii fotoelektronů jako funkci frekvence a intenzity světla. Zjistil, že výsledky odpovídají Einsteinovým předpovědím a že existuje lineární vztah mezi kinetickou energií a frekvencí, s sklonem rovným Planckově konstantě.

Význam energetických kvant

Objev energetických kvant byl velkým převratem ve fyzice, protože odhalil, že hmota a energie nejsou oddělené entity, ale různé aspekty téže reality. Ukázal také, že fyzikální jevy na subatomové úrovni nelze vysvětlit klasickou fyzikou, která předpokládá, že hmota a energie jsou spojité a deterministické.

Energetické kvanty jsou klíčové pro porozumění mnoha aspektům kvantové fyziky, jako je atomová struktura, spektrální čáry, chemické vazby, lasery a kvantové tunelování. Mají také mnoho praktických aplikací v oblastech jako materiálová věda, nanotechnologie, elektronika a medicína.

Například, energetické kvanty jsou používány k vytváření zařízení jako fotovoltaické články, které převádějí světlo na elektrickou energii; fotomultiplikační trubice, které zesilují slabé signály světla; a světlové diody (LED), které produkují světlo z elektrické energie. Energetické kvanty jsou také používány k měření vlastností jako teplota, tlak, záření a magnetická pole.

Energetické kvanty jsou také důležité pro studium jevů jako je jaderná dělení a fúze, které zahrnují převod hmoty na energii podle slavné Einsteinovy rovnice:

E = mc^2

Kde E je uvolněná nebo absorbovaná energie, m je rozdíl hmoty před a po reakci a c je rychlost světla.

Energetické kvanty jsou také zapojeny v procesech jako radioaktivní rozpad, který nastává, když nestabilní jádro emituje částice nebo fotony; a párové tvorba, která nastává, když vysokoenergetický foton vytvoří elektron-positron pár.

Závěr

Energetické kvanty jsou nejmenší jednotky energie, které lze přenést nebo vyměnit v fyzikálních procesech. Jsou stavebními kameny kvantové fyziky, která popisuje chování hmoty a energie na subatomové úrovni.

Koncept energetických kvant byl poprvé navržen Max