کوانتای انرژی کوچک‌ترین واحدهای انرژی هستند که می‌توانند در فرآیندهای فیزیکی منتقل یا مبادله شوند. آنها بلوک‌های سازنده فیزیک کوانتومی هستند که رفتار ماده و انرژی در سطح زیراتمی را توصیف می‌کند. کوانتای انرژی نیز به عنوان کوانتا، کوانتوم یا بسته‌های انرژی شناخته می‌شوند.

فیزیک کوانتومی در اوایل قرن بیستم به عنوان شاخه جدیدی از فیزیک ظاهر شد که چالش‌های فیزیک کلاسیک نیوتن و ماکسول را مطرح کرد. فیزیک کلاسیک نمی‌توانست برخی از پدیده‌ها مانند تابش نور از اجسام گرم شده، پایداری اتم‌ها و الگوهای گسسته خطوط طیفی را توضیح دهد. فیزیک کوانتومی مفهوم کوانتایز را معرفی کرد که به این معنی است که برخی خصوصیات فیزیکی فقط می‌توانند مقادیر گسسته را بگیرند، نه مقادیر پیوسته.

در این مقاله، ما به بررسی منشأ و اهمیت کوانتای انرژی و نحوه ارتباط آنها با نور، اتم‌ها و تابش می‌پردازیم.

شکست فیزیک کلاسیک

یکی از مشکلاتی که فیزیک کلاسیک با آن مواجه بود، توضیح ساختار و رفتار اتم‌ها بود. بر اساس فیزیک کلاسیک، یک اتم شامل هسته‌ای با بار مثبت محاط شده توسط الکترون‌هایی با بار منفی است که مانند سیارات دور خورشید به دور هسته می‌چرخند. نیرویی که الکترون‌ها را در مدارهای خود نگه می‌دارد، تعادل بین نیروی کولن، که آنها را به هسته جذب می‌کند، و نیروی مرکزگریز است که آنها را دور می‌کشد.

با این حال، این مدل عیب بزرگی داشت: بر اساس نظریه الکترومغناطیس کلاسیک، ذره‌ای باردار که شتاب می‌یابد تابش الکترومغناطیسی تولید می‌کند. این بدان معناست که یک الکترون مداری باید انرژی خود را از دست دهد و به هسته سقوط کند، که این امر اتم‌ها را ناپایدار و منهدم می‌کند. البته این اتفاق در واقعیت نمی‌افتد، بنابراین فیزیک کلاسیک نمی‌توانست پایداری اتم‌ها را توضیح دهد.

مشکل دیگری که فیزیک کلاسیک با آن مواجه بود، توضیح تابش نور از اجسام گرم شده (تابش جسم سیاه) بود. بر اساس فیزیک کلاسیک، یک جسم سیاه یک شیء ایده‌آل است که تمام تابش ورودی را جذب می‌کند و تابش در تمام فرکانس‌ها را به وسیله دما تولید می‌کند. شدت تابش تولید شده باید به صورت مداوم با فرکانس افزایش یابد، بر اساس فرمولی که توسط ریلی و جینز استخراج شده است.

با این حال، این فرمول پیش‌بینی می‌کرد که یک جسم سیاه مقدار نامحدودی از انرژی در فرکانس‌های بالا تولید خواهد کرد، که با مشاهدات تجربی مغایرت داشت. این پارادوکس به عنوان فاجعه فرابنفش شناخته می‌شد زیرا به این معنا بود که یک جسم سیاه بیشتر تابش فرابنفش از تابش مرئی تولید می‌کند.

فیزیک کلاسیک نتوانست این پدیده‌ها را توضیح دهد زیرا فرض کرد که انرژی می‌تواند به هر مقداری منتقل یا مبادله شود، صرف نظر از فرکانس یا طول موج آن. با این حال، این فرض وقتی فیزیک کوانتومی مفهوم کوانتای انرژی را معرفی کرد، غلط ثابت شد.

کشف کوانتای انرژی

مفهوم کوانتای انرژی اولین بار توسط ماکس پلانک در سال ۱۹۰۰ زمانی که به بررسی تابش جسم سیاه می‌پرداخت، پیشنهاد شد. برای حل فاجعه فرابنفش، او پیشنهاد کرد که انرژی فقط می‌تواند به صورت بسته‌های گسسته تابش یا جذب شود، نه به صورت پیوسته. او این بسته‌ها را "کوانتا" یا "عناصر انرژی" نامید و انرژی آنها را با فرکانس آنها با یک فرمول ساده مرتبط کرد:

E = hf

که E انرژی یک کوانتوم، f فرکانس آن و h یک ثابت است که اکنون به عنوان ثابت پلانک (6.626 x 10^-34 J s) شناخته می‌شود.

فرمول پلانک نشان می‌داد که یک جسم سیاه فقط می‌تواند فرکانس‌های خاصی از تابش را به وسیله دما تولید کند و فرکانس‌های بالاتر نیاز به مقدار بیشتری انرژی دارند. این توضیح می‌دهد که چرا یک جسم سیاه مقدار نامحدودی از تابش فرابنفش تولید نمی‌کند، زیرا برای انجام این کار نیاز به مقدار نامحدودی از انرژی دارد.

ایده پلانک انقلابی بود زیرا پیشنهاد کرد که انرژی کوانتایز شده است، به این معنا که فقط می‌تواند مقادیر گسسته را که مضربی از ثابت پلانک هستند، بگیرد. این با فیزیک کلاسیک که فرض می‌کرد انرژی می‌تواند هر مقداری را بگیرد، مغایرت داشت.

ایده پلانک در سال ۱۹۰۵ توسط آلبرت اینشتین با توضیح یک پدیده دیگر که فیزیک کلاسیک نمی‌توانست توضیح دهد، یعنی اثر فوتوالکتریک، پشتیبانی شد.

اثر فوتوالکتریک تابش الکترون‌ها از سطح یک فلز زمانی که به نور معرض می‌شود است. بر اساس فیزیک کلاسیک، تعداد و انرژی الکترون‌های تابش شده باید به ترتیب به شدت و طول موج نور بستگی داشته باشد.

با این حال، آزمایش‌ها نشان داد که این امر صحیح نیست: به جای آن، تعداد الکترون‌های تابش شده به فرکانس نور بستگی داشت و یک فرکانس حداقلی وجود داشت که زیر آن هیچ الکترونی تابش نمی‌شد. انرژی الکترون‌های تابش شده به همراه شدت و فرکانس: فرکانس بالاتر به معنای انرژی بالاتر و شدت بالاتر به معنای تعداد بیشتر الکترون‌ها بود.

اینشتین این پدیده را با گسترش ایده پلانک و فرض این که نور خود به صورت بسته‌هایی به نام فوتون‌ها کوانتایز شده است، توضیح داد.

او پیشنهاد کرد که هر فوتون یک انرژی متناسب با فرکانس خود دارد که با همان فرمول پلانک داده می‌شود:

E = hf

او همچنین پیشنهاد کرد که هنگامی که یک فوتون به سطح یک فلز برخورد می‌کند، می‌تواند انرژی خود را به یک الکترون منتقل کند. اگر انرژی فوتون بیشتر یا مساوی با تابع کار فلز باشد که کمترین انرژی لازم برای اخراج یک الکترون از سطح است، آنگاه الکترون با یک انرژی جنبشی مساوی با تفاوت زیر تابش خواهد شد:

KE = hf – Φ

که KE انرژی جنبشی الکترون فوتوالکتریک و Φ تابع کار فلز است.

توضیح اینشتین از اثر فوتوالکتریک نشان داد که نور هنگام تعامل با ماده مانند یک ذره رفتار می‌کند و انرژی آن به صورت فوتون‌ها کوانتایز شده است. این یک تغییر رادیکال از فیزیک کلاسیک بود که نور را به عنوان یک موج پیوسته در نظر می‌گرفت.

نظریه اینشتین از اثر فوتوالکتریک در سال ۱۹۱۶ توسط رابرت میلیکن به صورت تجربی تأیید شد که انرژی جنبشی الکترون‌های فوتوالکتریک را به عنوان تابعی از فرکانس و شدت نور اندازه‌گیری کرد. او پیدا کرد که نتایج با پیش‌بینی‌های اینشتین مطابقت داشتند و یک رابطه خطی بین انرژی جنبشی و فرکانس وجود داشت، با شیبی مساوی با ثابت پلانک.

اهمیت کوانتای انرژی

کشف کوانتای انرژی یک پیشرفت بزرگ در فیزیک بود، زیرا نشان داد که ماده و انرژی موجودات جداگانه نیستند بلکه جنبه‌های مختلف یک واقعیت هستند. همچنین نشان داد که پدیده‌های فیزیکی در سطح زیراتمی نمی‌توانند با فیزیک کلاسیک که فرض می‌کند ماده و انرژی پیوسته و قطعی هستند، توضیح داده شوند.

کوانتای انرژی برای درک بسیاری از جنبه‌های فیزیک کوانتومی از جمله ساختار اتمی، خطوط طیفی، پیوند‌های شیمیایی، لیزرها و نفوذ کوانتومی ضروری هستند. آنها همچنین کاربردهای عملی زیادی در زمینه‌هایی مانند علم مواد، نانوتکنولوژی، الکترونیک و پزشکی دارند.

به عنوان مثال، کوانتای انرژی برای ایجاد دستگاه‌هایی مانند سلول‌های فتوولتائیک که نور را به برق تبدیل می‌کنند؛ لوله‌های فوتومولتیپلایر که سیگنال‌های ضعیف نور را تقویت می‌کنند؛ و دیودهای تابشی LED که نور را از برق تولید می‌کنند، استفاده می‌شوند. کوانتای انرژی همچنین برای اندازه‌گیری ویژگی‌هایی مانند دما، فشار، تابش و میدان‌های مغناطیسی استفاده می‌شوند.

کوانتای انرژی نیز برای مطالعه پدیده‌هایی مانند شکافت هسته‌ای و ادغام هسته‌ای که شامل تبدیل جرم به انرژی بر اساس معادله مشهور اینشتین است، مهم هستند:

E = mc^2

که E انرژی آزاد شده یا جذب شده، m تفاوت جرم قبل و بعد از واکنش