Energia kuantuak dira energia unitateen txikienakenergia unitateen zehazkiak dituzten eta fisikan prozesuetan trukatu daitezkeen. Hauek dira kuantikoaren fisikaren oinarrizko elementuak, zeinak materiaren eta energiaren portaerarako azalpen ematen duena azpiaatomikoko mailan. Energia kuantuak kuantu gisa, edo energia pakete gisa ere ezagutzen dira.

Kuantikoaren fisika hasiera hartu zuen 20. mendeko lehenengo hamarkadan fisikaren adar berri gisa, Newton eta Maxwellen fisika klasikoari eraso egiten zion. Fisika klasikoa ezin izan zuen batzuk fenomenoak azaldu, hala nola eskuineko objektuak argi ematen duten, atomoen estabilitasuna, eta spektro kopuru diskretuen ereduak. Kuantikoaren fisika sartu zuen kuantifikazioaren kontzeptua, hau da, zenbait fisikako ezaugarri soilik balio diskretuak hartu ditzakeela, jarraituak badira ere.

Artikul honetan, energia kuantuen jatorria eta garrantzia aztertuko dugu, eta horiek nola lotuta dauden argi, atomoekin eta erradiazioarekin.

Fisika klasikoaren hutsegitea

Fisika klasikoak aurre hartu zuen arazo bat atomoen egitura eta portaera azaltzea izan zen. Fisika klasikoaren arabera, atomo batek positiboki kargatutako nukleoru bat ditu, non negatiboki kargatutako elektronak orbituan dagoen, eguzkiaren inguruan planetak bezala. Elektronak bere orbitan mantentzen dituen indarra da Coulomben indarra, nukleorura hartzeko, eta zentrifugoa, elektronak kanporantz atera dezakena.

Hala ere, modelu honek akats handia zuen: fisika klasikoaren arabera, kargatutako partikula bat azeleratzen bada, erradiazio elektromagnetikoa ematen du. Honek esan nahi du elektron orbituan dagoenean, energia galduko du eta nukleorura erortuko da, hala nola atomoak instabilak eta kolapsatuko direla. Ez da hau realitatean gertatzen, beraz, fisika klasikoak ezin izan zuen atomoen estabilitasuna azaldu.

Beste arazo bat fisika klasikoak aurre hartu zuen objektu eskuinetatik argi ematen duten fenomenoa, hainbat atalpean “black-body radiation” bezala ezagutzen dena. Fisika klasikoaren arabera, objektu eskuinekoa da objektu ideal bat, radiazio guztiak ondoratzen duena eta bere tenperaturaren arabera radiazio ematen duena. Emagun radiazioaren intensitatea frekuentziarekin gorabehera har ditzakeela, Rayleigh eta Jeansen formularen arabera lortu zuten.

Hala ere, formula hau predikatu zuen objektu eskuineko bat frekuentzietan altuak dituen radiazio infinitu emango zuela, hau ez zen egiaztatzen esperientzian. Paradoxa hau “ultraviolet catastrophe” bezala ezagutzen da, hainbat atalpean objektu eskuineko bat ultravioleta gehiago emango zuela ikusgai baino.

Fisika klasikoak ezin izan zuen fenomeno hauek azaldu, energia edozein kantitatean trukatu edo trukatu zitekeela uste duelako, frekuentzia edo luzera ondorengatik. Baina, kuantikoaren fisika sartu zenean, energia kuantuak kontzeptua.

Energia kuantuen aurkitzea

Energia kuantuen kontzeptua lehen proposatu zuen Max Planck 1900ean, black-body radiation-a aztertzen zenean. Ultraviolet catastrophe konponatzeko, energia soilik pakete diskretuetan ematen edo ondortzen zitekeela proposatu zuen. Pakete hauei “kuantu” edo “energia elementu” deitu zituen, eta haien enerziarekin lotu zituen formula sinple baten bidez:

E = hf

Non E kuantu baten energia, f frekuentzia, eta h Planck-en konstantea (6.626 x 10^-34 J s).

Planck-en formula hau inplikatu zuen objektu eskuineko bat soilik radiazio frekuentzietan emango zuela bere tenperatura eta frekuentziek energia asko behar dutela. Honek azaldu zuen objektu eskuineko bat ultravioleta infinitu ematen ez duela, hainbat atalpean energia infinitu beharrezkoa baita horretarako.

Planck-en ideia revoluzionarioa izan zen, energia kuantizatua dela uste duelako, hau da, soilik Planck-en konstantearen anizkoitzak hartu dituenez gero. Hau fisika klasikoaren aurka joan zen, energia edozein balio hartu zitekeela uste duelako.

Planck-en ideia Albert Einstein 1905ean argi ulertzeko efektua azaldu zenean sustatu zuen.

Argi ulertzeko efektua elektronen emagunea da metal baten gainean argi ekarri denean. Fisika klasikoaren arabera, emagun elektronen kopurua eta energia argiaren intensitatea eta luzera desberdina izango lirateke, hurrenez hurren.

Baina, esperientzietan ez zen horixe gertatzen: ordea, emagun elektronen kopurua argiaren frekuentziarekin lotuta dago, eta frekuentzia minimo baten azpitik ez da elektronik emagun. Emagun elektronen energia frekuentzia eta intensitatearekin lotuta dago: frekuentzia altuagoa energia altuagoa, eta intensitate altuagoa elektron gehiago.

Einstein argiaren bere burua kuantizatua dela suposatu zuen, photon deritzon paketeetan.

Photon bakoitzak bere frekuentziarekin proportzionala den energia duela proposatu zuen, Planck-en formula berdina:

E = hf

Photon bat metal baten gainean erori denean, bere energia elektron bati eramaki dezake. Photon baten energia metalaren lan-funtzioa baino handiagoa edo berdina bada, elektron emagun egongo da bere energia kinetikoa hurrengo artean dagoen artean:

KE = hf – Φ

Non KE fotoelektron baten energia kinetikoa, eta Φ metalaren lan-funtzioa.

Einsteinen argi ulertzeko efektuaren teoria Robert Millikan 1916an esperientzian frogatu zuen, fotoelektronen energia kinetikoa neurtu zuen argiaren frekuentzia eta intensitatearen arabera. Emaitzak Einsteinen aurretasunekin bat datoz, eta energia kinetikoaren eta frekuentziaren artean erlazio lineala dago, murrizkoaren berdina.

Energia kuantuen garrantzia

Energia kuantuen aurkitzea fisikan arrakasta handia izan zen, hainbat atalpean materia eta energia ez direla entitate desberdinak, baizik eta errealitate baten aspektu desberdinak direla. Hona hemen fisika klasikoaren arabera, materia eta energia jarraituak eta deterministak direla.

Energia kuantuak kuantikoaren fisikako aspektu ugari ulertzeko garrantzitsuak dira, hala nola atomoen egitura, spektro-kopuru, lotura kimiko, laser, eta kuantiko tunneling. Garrantzitsuak dira aplikazio praktiko ugari, hala nola materialen zientzia, nanotecnologia, elektronika, eta medikuntza.

Adibidez, energia kuantuak fotovoltaiko cell-en sortzeko erabiltzen dira, argia elektrizitate bihurtzeko; fotomultiplier tube-en, argiaren signalen ahulgarriak amplifikatzeko; eta argi-emagun diode (LED) sortzeko, elektrizitatea argi bihurtzeko. Energia kuantuak temperatura, presio, erradiazio, eta magnetiko-indarren neurriak egiteko ere erabiltzen dira.

Energia kuantuak fenomeno ugari aztertzeko garrantzitsuak dira, hala nola nuklear fission eta fusion, masa energia bihurtzen dituen Einstein-en ekuazio familiarraren arabera:

E = mc^2

Non E energia eman edo ondortzen dena, m reakzioaren aurretik eta ondoren dagoen masaren aldea, eta c argiaren abiadura.

Energia kuantuak prosesu ugari parte hartzen dute, hala nola erradioaktibitatea, non nukleoru instabil bat partikula edo photonak eman dezakeen; eta pare-produkzioa, non photon energiaren altua elektron-positron pare bat sortzen duen.

Konklusioa

Energia kuantuak dira energia unitateen txikienak fisikan prozesuetan trukatu edo ondortu daitezken. Hauek dira kuantikoaren fisikaren oinarrizko elementuak, zeinak materiaren eta energiaren portaerarako azalpen ematen duena azpiaatomikoko mailan.

Energia kuantuen kontzeptua lehen proposatu zuen Max Planck 1900ean, black-body radiation-a azaldu zenean, eta Albert Einstein 1905ean argi ulertzeko efektua azaldu zenean hedatu zuen. Fenomeno hauek erakutsi zituen energia kuantizatua dela, hau da, soilik Planck-en konstantearen anizkoitzak hartu dituenez gero.

Energia kuantuen aurkitzeak fisika klasikoari eraso egin zuen, energia edozein balio hartu zitekeela uste duelako, eta argiaren portaerarako kontinuua izan beharko litzatekeen. Horrek ere erakutsi zuen materia eta energia ez direla entitate desberdinak, baizik eta errealitate baten aspektu desberdinak direla.

Iragarki: Jatorrizkoa errespetatu, artikulu onak partekatzeko baliok. Infrakuntza dagoenean, mesedez ezabatu.