Energia kvantid on väikseimad energia ühikud, mis võivad füüsikalistes protsessides edastuda või vahetuda. Nad on kvantfüüsika ehituspõhinelemendid, mis kirjeldavad aine ja energia käitumist subatoomilisel tasandil. Energia kvante nimetatakse ka kvantideks, kvantideks või energia pakettideks.

Kvantfüüsika ilmus varasema osa 20. sajandi lõpus uueks füüsika haruna, mis katkestas Newtoni ja Maxwelli klassikalise füüsika. Klassikaline füüsika ei suutnud mõnda nähtust, nagu valguse heite soojendatud objektidest, aatomite stabiilsus ja spektriliitude diskreetne muster. Kvantfüüsika tõstis esile kvantimise mõiste, mis tähendab, et mõned füüsikaomadused võivad võtta ainult diskreetseid väärtusi, mitte pidevaid.

Selles artiklis uurime energia kvantide päritolu ja tähtsust ning nende seost valguse, aatomite ja sätekega.

Klassikalise füüsika ebaõnnestumine

Üks probleeme, millega klassikaline füüsika silmitses, oli aatomite struktuuri ja käitumise selgitamine. Klassikalise füüsika järgi koosneb aatom positiivselt laengunud tuumast, mille ümber kõverdavad negatiivselt laengunud elektronid, nagu planeedid päikese ümber. Jõud, mis hoiab elektrone oma orbiitidel, on Coulombi jõu tasakaal, mis neid tuuma poole venib, ja sentrifugaalne jõud, mis neid eemale pöördub.

See mudel aga oli mõnes mõttes vigane: klassikalise elektromagnetilise teooria järgi emiteerib kiirendatud laengunud osakes elektromagnetilist säteket. See tähendaks, et orbiitidele asuv elektron peaks kaotama energiat ja kumerdatud tuuma poole liikuma, mis teeks aatomidest ebastabiilseks ja paneks need kokku variseks. See aga ei juhtu tegelikkuses, seega ei suutnud klassikaline füüsika arvestada aatomite stabiilsust.

Teine probleem, millega klassikaline füüsika silmitses, oli soojendatud objektidest valguse heitmine, mida nimetatakse musta keha sätegeks. Klassikalise füüsika järgi on musta keha ideaalobjekt, mis absorpobeerib kõiki sissetulevaid sätekid ja emiteerib sätegid kõigil sagedustel, sõltuvalt oma temperatuurist. Emiteeritud sätegi intensiivsus peaks sagedusega pidevalt kasvama, vastavalt Rayleigh ja Jeansi poolt tuletatud valemile.

See valem ennustas, et musta keha emiteeriks lõpmatut energiat kõrgete sageduste korral, mis oli vastuolus eksperimentide tulemustega. Selle paradoksi nimetati ultriviiolett katastroofiliseks, kuna see viitas sellele, et musta keha emiteeriks rohkem ultraviioleti säteket kui nähtavat valgust.

Klassikaline füüsika ei suutnud need nähtused selgitada, kuna eeldas, et energia võib edastuda või vahetuda igas koguses, olenemata sagedusest või lainepikkusest. See eeldus aga osutus valeks, kui kvantfüüsika tõstis esile energia kvantide mõiste.

Energia kvantide avastus

Energia kvantide mõistet esitas esmakordselt Max Planck aastal 1900, kui ta uuris musta keha säteget. Ultraviiolett katastroofi lahendamiseks ettepanekus, et energia võib emiteerida või absorbida ainult diskreetsetes paketites, mitte pidevalt. Ta nimetas need paketid "kvantideks" või "energia elementideks" ning seostas nende energiat nende sagedusega lihtsa valemiga:

E = hf

Kus E on kvandi energia, f on tema sagedus ja h on konstant, mida nüüd tuntakse Plancki konstandina (6.626 x 10^-34 J s).

Plancki valem viitas sellele, et musta keha võib emiteerida ainult teatud sagedused, sõltuvalt oma temperatuurist, ja kõrgemad sagedused nõuavad rohkem energiat. See selgitab, miks musta keha ei emiteeri lõpmatu ultraviioleti säteket, kuna see nõuaks lõpmatu energiat.

Plancki idee oli revolutsioneeriline, kuna viitas sellele, et energia on kvantiseeritud, tähendades, et see võib võtta ainult diskreetseid väärtusi, mis on Plancki konstandi kordajad. See vastandas klassikalisele füüsikale, mis eeldas, et energia võib võtta suvalisi väärtusi.

Plancki ideed toetati Albert Einsteinilt aastal 1905, kui ta selgitas klassikalise füüsika ebaõnnestumist: fotoelektrilist efekti.

Fotoelektriline efekt on elektronide emiteerimine metallipinna, kui see on väljakutse alla pandud valguse all. Klassikalise füüsika järgi peaks emiteeritud elektronide arv ja energia sõltuma valguse intensiivist ja lainepikkusest vastavalt.

Kuid eksperimendid näitasid, et see ei ole õige: selle asemel sõltus emiteeritud elektronide arv valguse sagedusest, ja oli minimaalsed sagedus, mille all ei emiteeritu ühtegi elektroni. Emiteeritud elektronide energia sõltus nii sagedusest kui ka intensiivist: kõrgem sagedus tähendas kõrgemat energiat, kõrgem intensiivsus tähendas rohkem elektrone.

Einstein selgitas seda, laiendades Plancki ideed ja eeldades, et valgus ise on kvantiseeritud fotodeks nimetatud paketiteks.

Ta ettepanekus, et iga fotonil on energia, mis on proportsionaalne selle sagedusega, antud sama valemiga kui Planck:

E = hf

Ta ettepanekus, et kui foton tabab metallipinda, siis see võib oma energiat edastada elektronile. Kui foni energia on suurem või võrdne metalli tööfunktsiooniga, mis on minimaalne energia, mis on vajalik elektroni pinnast väljaheitmiseks, siis elektron väljaheitetakse kinetilise energiaga, mis on erinevus:

KE = hf – Φ

Kus KE on fotoelektroni kinetiline energia, ja Φ on metalli tööfunktsioon.

Einsteini fotoelektrilise efekti selgitus näitas, et valgus käitub partikliga, kui see interageerib ainemega, ja selle energia on kvantiseeritud fotodeks. See oli radikaalne lähenemisviis klassikalisele füüsikale, mis vaatles valgust pidevana lainena.

Einsteini fotoelektrilise efekti teooria kinnitati eksperimentaalselt Robert Millikanilt aastal 1916, kes mõõtis fotoelektronte kinetilist energiat valguse sageduse ja intensiivsuse funktsioonina. Ta leidis, et tulemused vastasid Einsteini prognoosidele ja et oli lineaarne seos kinetilise energiaga ja sagedusega, mille kaldetäis oli Plancki konstand.

Energia kvantide tähtsus

Energia kvantide avastus oli füüsika suur läbimurk, kuna see andis teada, et aine ja energia ei ole eraldi entiteedid, vaid sama reaalsuse erinevad aspektid. See näitas ka, et subatoomilisel tasandil füüsika nähtused ei saa selgitada klassikalise füüsikaga, mis eeldab, et aine ja energia on pidevad ja deterministlikud.

Energia kvandid on olulised paljude kvantfüüsika aspektide mõistmiseks, nagu aatomilised struktuurid, spektriliigid, keemilised side, laserid ja kvanttunneling. Need on ka paljudes praktilistes rakendustes, nagu materjaliteaduses, nanotehnoloogias, elektronikas ja meditsiinis.

Näiteks kasutatakse energia kvante seadmete loomiseks, nagu fotovoltaatilised elemendid, mis teisendavad valgust elektriks; fotomultiplikatorid, mis tugevdavad nõrga valguse signaale; ja valguse levivad dioodid (LED-id), mis toodavad valgust elektrist. Energia kvante kasutatakse ka omaduste mõõtmiseks, nagu temperatuur, rõhk, säteke ja magneetväli.

Energia kvandid on olulised ka nähtuste uurimiseks, nagu tuumafissioon ja fuusioon, mis hõlmavad massi teisendamist energiaks vastavalt Einsteini kuulsale valemile:

E = mc^2

Kus E on vabastatud või absorbitud energia, m on massi erinevus enne ja pärast reaktsiooni, ja c on valguse kiirus.

Energia kvandid on ka seotud protsessidega, nagu radioaktiivne lagunemine, mis toimub, kui ebastabiilne tuumas emiteerib osakeste või fotope; ja paari tekke, mis toimub, kui kõrgeenergelise foton loob elektron-positroni paar.

Järeldus

Energia kvantid on väikseimad energia ühikud, mis võivad füüsikalistes protsessides edastuda või vahetuda. Nad on kvantfüüsika ehituspõhinelemendid, mis kirjeldavad aine ja energia käitumist subatoomilisel tasandil.

Energia kvantide mõistet esitas esmakordselt Max Planck aastal 1900, et selgitada musta keha säteget, ja hiljem laiendas Albert Einstein aastal 1905, et selgitada fotoelektrilist efekti. Need nähtused näitasid, et energia on kvantiseeritud, tähendades, et see võib võtta ainult diskreetseid väärtusi, mis on Plancki konstandi kordajad.

Declaration: Respect the original, good articles worth sharing, if there is infringement please contact delete.