As unidades de enerxía máis pequenas que se poden transferir ou intercambiar en procesos físicos son os cuantos de enerxía. Son os bloques de construción da física cuántica, que describe o comportamento da materia e da enerxía ao nivel subatómico. Os cuantos de enerxía tamén son coñecidos como cuantos, quanta ou paquetes de enerxía.

A física cuántica surxiu no comezo do século XX como unha nova rama da física que desafiou a física clásica de Newton e Maxwell. A física clásica non podía explicar algúns fenómenos, como a emisión de luz por obxectos calentados, a estabilidade dos átomos, e os patróns discretos das liñas espectrais. A física cuántica introduciu o concepto de cuantización, o que significa que algúns propiedades físicas só poden tomar valores discretos, en lugar de continuos.

Neste artigo, exploraremos a orixe e a significancia dos cuantos de enerxía, e como se relacionan coa luz, átomos e radiación.

El fracaso da física clásica

Un dos problemas que enfrentaba a física clásica era explicar a estrutura e o comportamento dos átomos. Segundo a física clásica, un átomo consiste nun núcleo positivamente cargado rodeado por eléctrons negativamente cargados que orbitan ao seu redor como planetas ao redor do sol. A forza que mantén os eléctrons nas súas órbitas é o equilibrio entre a forza de Coulomb, que os atrae ao núcleo, e a forza centrífuga, que os empuxa para fóra.

No entanto, este modelo tiña un gran defecto: segundo a teoría electromagnética clásica, unha partícula cargada acelerada emite radiación electromagnética. Isto significa que un electrón en órbita debería perder enerxía e espiralarse cara ao núcleo, o que faría que os átomos fosen inestables e colapsaran. Esto obviamente non ocorre na realidade, polo que a física clásica non podía explicar a estabilidade dos átomos.

Outro problema que enfrentaba a física clásica era explicar a emisión de luz por obxectos calentados, coñecida como radiación de corpo negro. Segundo a física clásica, un corpo negro é un obxecto ideal que absorbe toda a radiación entrante e emite radiación a todas as frecuencias dependendo da súa temperatura. A intensidade da radiación emitida debería aumentar continuamente con a frecuencia, segundo unha fórmula derivada por Rayleigh e Jeans.

No entanto, esta fórmula predízia que un corpo negro emitiría cantidades infinitas de enerxía a frecuencias altas, o que contradicía as observacións experimentais. Este paradoxo era coñecido como a catástrofe ultravioleta porque implicaba que un corpo negro emitiría máis radiación ultravioleta que luz visible.

A física clásica non puido explicar estos fenómenos porque supunha que a enerxía podía ser transferida ou intercambiada en calquera cantidade, independentemente da súa frecuencia ou lonxitude de onda. No entanto, esta suposición resultou incorrecta cando a física cuántica introduciu o concepto de cuantos de enerxía.

O descubrimento dos cuantos de enerxía

O concepto de cuantos de enerxía foi proposto inicialmente por Max Planck en 1900, cando estaba estudiando a radiación de corpo negro. Para resolver a catástrofe ultravioleta, suxeriu que a enerxía só pode ser emitida ou absorbida en paquetes discretos, en lugar de de forma continua. Chamou a estes paquetes "cuantos" ou "elementos de enerxía", e relacionou a súa enerxía coa súa frecuencia mediante unha fórmula simple:

E = hf

Onde E é a enerxía dun cuanto, f é a súa frecuencia, e h é unha constante que agora se coñece como a constante de Planck (6,626 x 10^-34 J s).

A fórmula de Planck implicaba que un corpo negro só podia emitir certas frecuencias de radiación dependendo da súa temperatura e que as frecuencias máis altas requiren cantidades maiores de enerxía. Isto explica por que un corpo negro non emite cantidades infinitas de radiación ultravioleta, porque necesitaría cantidades infinitas de enerxía para facelo.

A idea de Planck foi revolucionaria porque suxeria que a enerxía está cuantizada, o que significa que só pode tomar valores discretos que son múltiplos da constante de Planck. Isto contradizia a física clásica, que supunha que a enerxía podia tomar calquera valor.

A idea de Planck foi ademais apoiada por Albert Einstein en 1905, cando explicou outro fenómeno que a física clásica non podía: o efecto fotoeléctrico.

O efecto fotoeléctrico é a emisión de eléctrons dende unha superficie metálica cando está exposta á luz. Segundo a física clásica, o número e a enerxía dos eléctrons emitidos deberían depender da intensidade e lonxitude de onda da luz, respectivamente.

No entanto, os experimentos mostraron que isto non era verdade: en cambio, o número de eléctrons emitidos dependía da frecuencia da luz, e había unha frecuencia mínima abaixo da cual non se emitían eléctrons. A enerxía dos eléctrons emitidos dependía tanto da frecuencia como da intensidade: maior frecuencia significaba maior enerxía, mentres que maior intensidade significaba máis eléctrons.

Einstein explicou isto ampliando a idea de Planck e asumindo que a propia luz está cuantizada en paquetes chamados fotóns.

Suxeriu que cada fotón ten unha enerxía proporcional á súa frecuencia, dada pola mesma fórmula que Planck:

E = hf

Tamén propôs que cando un fotón choca contra unha superficie metálica, pode transferir a súa enerxía a un electrón. Se a enerxía do fotón é maior ou igual á función de traballo do metal, que é a enerxía mínima necesaria para expulsar un electrón da superficie, entón o electrón será emitido cunha enerxía cinética igual á diferenza:

EC = hf – Φ

Onde EC é a enerxía cinética do fotoelectrón, e Φ é a función de traballo do metal.

A explicación de Einstein do efecto fotoeléctrico mostrou que a luz se comporta como unha partícula cando interactúa coa materia e que a súa enerxía está cuantizada en fotóns. Isto foi unha ruptura radical coa física clásica, que tratava a luz como unha onda continua.

A teoría de Einstein do efecto fotoeléctrico foi confirmada experimentalmente por Robert Millikan en 1916, que midiu a enerxía cinética dos fotoelectróns en función da frecuencia e intensidade da luz. Encontrou que os resultados concordaban cosa prediccións de Einstein e que había unha relación linear entre a enerxía cinética e a frecuencia, con unha pendente igual á constante de Planck.

A significancia dos cuantos de enerxía

O descubrimento dos cuantos de enerxía foi un gran avance na física, xa que revelou que a materia e a enerxía non son entidades separadas, senón aspectos diferentes da mesma realidade. Tamén mostrou que os fenómenos físicos ao nivel subatómico non poden ser explicados pola física clásica, que supón que a materia e a enerxía son continuas e deterministas.

Os cuantos de enerxía son esenciais para comprender moitos aspectos da física cuántica, como a estrutura atómica, as liñas espectrais, os vínculos químicos, os lasers e o túnel cuántico. Tamén teñen moitas aplicacións prácticas en campos como a ciencia dos materiais, a nanotecnoloxía, a electrónica e a medicina.

Por exemplo, os cuantos de enerxía son utilizados para crear dispositivos como células fotovoltaicas, que convierten a luz en electricidade; tubos fotomultiplicadores, que amplifican sinais débiles de luz; e díodos emisores de luz (LED), que producen luz a partir da electricidade. Os cuantos de enerxía tamén son utilizados para medir propiedades como a temperatura, a presión, a radiación e os campos magnéticos.

Os cuantos de enerxía tamén son importantes para estudiar fenómenos como a fisión nuclear e a fusión, que implican a conversión de masa en enerxía segundo a famosa ecuación de Einstein:

E = mc^2

Onde E é a enerxía liberada ou absorbida, m é a diferenza de masa antes e despois da reacción, e c é a velocidade da luz.

Os cuantos de enerxía tamén están envolvidos en procesos como a desintegración radiactiva, que ocorre cando un núcleo inestable emite partículas ou fotóns; e a produción de parellas, que ocorre cando un fotón de alta enerxía crea un par electrón-positrón.

Conclusión

Os cuantos de enerxía son as unidades máis pequenas de enerxía que se poden transferir ou intercambiar en procesos físicos. Son os bloques de construción da física cuántica, que describe o comportamento da materia e da enerxía ao nivel subatómico.

O concepto de cuantos de enerxía foi proposto inicialmente por Max Planck en 1900 para explicar a radiación de corpo negro e posteriormente extendido por Albert Einstein en 1905 para explicar o efecto fotoeléctrico. Estes fenómenos mostraron que a enerxía está cuantizada, o que significa que só pode tomar valores discretos que son múltiplos da constante de Planck.

O descubrimento dos cuantos de enerxía desafiou a física clásica, que supunha que a enerxía podia tomar calquera valor e que a luz se comportaba como unha onda continua. Tamén revelou que a materia e a enerxía non son entidades separadas, senón aspectos diferentes da mesma realidade.

Declaración: Respete o orixinal, artigos bons merecen ser compartidos, se hai algún dereito de autor, póñase en contacto para eliminar.