Energiaquantit ovat pienimmät energian yksiköt, jotka voidaan siirtää tai vaihtaa fyysisissä prosesseissa. Ne ovat kvanttifysiikan perusrakennusosia, joka kuvaa aineen ja energian käyttäytymistä subatomitasolla. Energiaquantit tunnetaan myös nimillä kvantit, kvanti tai energia-paketit.

Kvanttifysiikka ilmestyi 1900-luvun alussa uutena fysiikan haaraksi, joka haastoi klassista fysiikkaa Newtonin ja Maxwellin mukaan. Klassinen fysiikka ei pystynyt selittämään joitakin ilmiöitä, kuten lämmön valon sähkömittaus, atomeja, ja spektririvien diskreettejä kaavoja. Kvanttifysiikka esitti kvantisoinnin käsitettä, mikä tarkoittaa, että jotkin fyysiset ominaisuudet voivat ottaa vain diskreettejä arvoja, eivätkä jatkuvia.

Tässä artikkelissa tutkimme energiaquantien alkuperää ja merkitystä, sekä miten ne liittyvät valoon, atomeihin ja säteilyyn.

Klassisen fysiikan epäonnistuminen

Yksi klassisen fysiikan ongelmista oli atomin rakenteen ja käyttäytymisen selittäminen. Klassisen fysiikan mukaan atomi koostuu positiivisesti varautuneesta ytimestä, jota ympäröivät negatiivisesti varautuneet elektronit, jotka kiertyvät sen ympärille kuin planeetat Aurinkoa. Voima, joka pitää elekronit kierrysradallaan, on tasapaino Coulomb-voiman, joka houkuttelee niitä ytimeen, ja keskipakoisvoiman, joka työntää niitä pois.

Kuitenkin tämä malli oli suuri puute: klassisen sähkömagneettisen teorian mukaan nopeutettu varattu hiukkanen sähkömagneettisen säteilyn. Tämä tarkoittaa, että kiertyvä elektroni pitäisi menettää energiaa ja uppoa ytimeen, mikä tekisi atomeista epästabiileja ja saisi ne romahtamaan. Tätä ei kuitenkaan tapahdu todellisuudessa, joten klassinen fysiikka ei pystynyt selittämään atomin vakautta.

Toinen ongelma, joka klassinen fysiikka kohtasi, oli lämminten objektien valonsäteilyn selittäminen, tunnettu myös mustan ruumiin säteilyn. Klassisen fysiikan mukaan musta ruumis on ideaalinen objekti, joka absorboi kaikki tulevan säteilyn ja säteilee säteilyä kaikilla taajuuksilla sen lämpötilan mukaan. Säteilyn intensiteetti pitäisi kasvaa jatkuvasti taajuuden mukaan Rayleighn ja Jeansin johdannosta.

Kuitenkin tämä kaava ennusti, että musta ruumis sähköttäisi äärettömän määrän energiaa korkeilla taajuuksilla, mikä oli ristiriidassa kokeellisten havaintojen kanssa. Tämä paradoksi tunnetaan ultraviolettikatastrofinä, koska se viittasi siihen, että musta ruumis sähköttäisi enemmän ultraviolettisäteilyä kuin näkyvää valoa.

Klassinen fysiikka epäonnistui näiden ilmiöiden selittämisessä, koska se oletti, että energia voidaan siirtää tai vaihtaa missä tahansa määrin, riippumatta sen taajuudesta tai aallonpituisuudesta. Kuitenkin tämä oletus osoittautui vääräksi, kun kvanttifysiikka esitti energiaquantien käsitettä.

Energiaquantien löydös

Energiaquantien käsite esitettiin ensimmäisen kerran Max Planckin toimesta vuonna 1900, kun hän tutki mustan ruumiin säteilyä. Ultraviolettikatastrofin ratkaisemiseksi hän ehdotti, että energia voidaan viedä tai imeä vain diskreettisinä paketeina, ei jatkuvana. Hän kutsui näitä paketteja "kvantiksi" tai "energia-elementeiksi", ja hän yhdisti niiden energian niiden taajuuteen yksinkertaisella kaavalla:

E = hf

Missä E on kvantin energia, f on sen taajuus, ja h on vakio, jota nyt tunnetaan Planckin vakiona (6.626 x 10^-34 J s).

Planckin kaava viittasi siihen, että musta ruumis voi sähköttää vain tietyt taajuudet säteilyä sen lämpötilan mukaan, ja korkeammat taajuudet vaativat suurempaa määrää energiaa. Tämä selittää, miksi musta ruumis ei sähköttäisi äärettömän määrän ultraviolettisäteilyä, koska siihen tarvittaisiin ääretön määrä energiaa.

Planckin ajatus oli revoluutionomainen, koska se ehdotti, että energia on kvantisoitunut, eli se voi ottaa vain diskreettejä arvoja, jotka ovat Planckin vakiota monikertoja. Tämä oli ristiriidassa klassisen fysiikan kanssa, joka oletti, että energia voi ottaa minkä tahansa arvon.

Planckin ajatus sai lisää tukea Albert Einsteinilta vuonna 1905, kun hän selitti toisen ilmiön, jota klassinen fysiikka ei pystynyt selittämään: valokuvausvaikutuksen.

Valokuvausvaikutus on elektronien vapautuminen metallipinnalta, kun sitä altistetaan valolle. Klassisen fysiikan mukaan vapautuneiden elektronien määrä ja energia pitäisi riippua valon intensiteetistä ja aallonpituisuudesta vastaavasti.

Kuitenkin kokeet osoittivat, että tämä ei ole totta: pikemminkin vapautuneiden elektronien määrä riippui valon taajuudesta, ja oli olemassa vähimmäistaajuus, jossa ei vapautunut lainkaan elektronit. Vapautuneiden elektronien energia riippui sekä taajuudesta että intensiteetistä: korkeampi taajuus tarkoitti suurempaa energiaa, kun taas korkeampi intensiteetti tarkoitti useampia elektronit.

Einstein selitti tämän laajentamalla Planckin ajatusta ja olettamalla, että itse valo on kvantisoitunut paketeiksi, jotka tunnetaan fotoneina.

Hän ehdotti, että jokaisella fotonilla on energia, joka on verrannollinen sen taajuuteen, samalla kaavalla kuin Planck:

E = hf

Hän myös ehdotti, että kun foton osuu metallipintaan, se voi siirtää energiansa elektroniin. Jos fotonin energia on suurempi tai yhtä suuri kuin työfunktio metallille, joka on vähimmäisenergia, joka tarvitaan elektronin vapauttamiseksi pintasta, sitten elektroni vapautetaan kinettisellä energialla, joka on erotus:

KE = hf – Φ

Missä KE on fotoelektronin kinettinen energia, ja Φ on metallin työfunktio.

Einsteinin selitys valokuvausvaikutuksesta osoitti, että valo käyttäytyy kuin hiukkanen, kun se vuorovaikuttelee aineen kanssa, ja että sen energia on kvantisoitunut fotoneihin. Tämä oli radikaali poikkeama klassisesta fysiikasta, joka käsitteli valoa jatkuvana aalloina.

Einsteinin valokuvausvaikutuksen teoria vahvistettiin Robert Millikanin toimesta vuonna 1916, joka mitatti fotoelektronien kinettisen energian valon taajuuden ja intensiteetin funktiona. Hän löysi, että tulokset olivat yhteensopivia Einsteinin ennusteiden kanssa, ja että oli lineaarinen suhde kinettisen energian ja taajuuden välillä, jossa kulmakerroin oli Planckin vakio.

Energiaquantien merkitys

Energiaquantien löytö oli merkittävä läpimurto fysiikassa, sillä se paljasti, että aine ja energia eivät ole erillisiä entiteettejä, vaan samaa todellisuutta eri näkökulmista. Se myös osoitti, että subatomitasolla tapahtuvia fyysisiä ilmiöitä ei voi selittää klassisella fysiikalla, joka olettaa, että aine ja energia ovat jatkuvia ja deterministisia.

Energiaquantit ovat olennaisia monien kvanttifysiikan näkökohtien ymmärtämiseksi, kuten atomirakenne, spektririvit, kemialliset sidokset, laserit ja kvanttikulku. Niillä on myös monia käytännön sovelluksia aloilla, kuten materiaalitieteet, nanotekniikka, elektroniikka ja lääketiede.

Esimerkiksi energiaquantit käytetään laitteiden, kuten fotovoltaisten solujen, valmistukseen, jotka muuntavat valoa sähköksi; fotomultiplioijien, jotka vahvistavat heikoja valosignaaleja; ja diodien (LED), jotka tuottavat valoa sähköstä. Energiaquantit käytetään myös mittamaan ominaisuuksia, kuten lämpötila, paine, säteily ja magneettikentät.

Energiaquantit ovat myös tärkeitä ydinhuutauksen ja -yhdistymisen tutkimiselle, jotka sisältävät massan muuntamisen energiaksi Einsteinin kuuluisan yhtälön mukaan:

E = mc^2

Missä E on vapautettu tai imeytyvä energia, m on massa-ero reaktion ennen ja jälkeen, ja c on valon nopeus.

Energiaquantit ovat myös mukana prosesseissa, kuten radioaktiivinen hajoaminen, joka tapahtuu, kun epävakaa ydin sähköttää hiukkasia tai fotoneja; ja parin syntymisessä, joka tapahtuu, kun korkean energian fotoni luo elektroni-positroniparin.

Yhteenveto

Energiaquantit ovat pienimmät energian yksiköt, jotka voidaan siirtää tai vaihtaa fyysisissä prosesseissa. Ne ovat kvanttifysiikan perusrakennusosia, joka kuvaa aineen ja energian käyttäytymistä subatomitasolla.

Energiaquantien käsite esitettiin ensimmäisen kerran Max Planckin toimesta vuonna 1900 mustan ruumiin säteilyä selittääkseen, ja myöhemmin Albert Einsteinin to