קוונטים של אנרגיה הם היחידות הקטנות ביותר של אנרגיה שיכולים להועבר או להשתנות בתהליכים פיזיקליים. הם הם הבניינים של הפיזיקה הקוונטית, המאורגנת את התנהגות החומר והאנרגיה ברמה הסוב-אטומית. קוונטים של אנרגיה מכונים גם קוונטים, קוונטים או חבילות אנרגיה.

הפיזיקה הקוונטית צצה בהתחלה של המאה ה-20 כענף חדש בפיזיקה שהציבה את הפיזיקה הקלאסית של ניוטון ומקסוול. הפיזיקה הקלאסית לא יכלה להסביר כמה תופעות, כגון פליטת אור מעצמים מחוממים, יציבות של אטומים, והדגמים הדיסקרטיים של קווי ספקטרום. הפיזיקה הקוונטית הציגה את הרעיון של קוונטציה, כלומר שחלק מהמאפיינים הפיזיים יכולים לקבל רק ערכים דיסקרטיים, ולא ערכים רציפים.

במאמר זה, נחקור את מקורם והמשמעות של קוונטים של אנרגיה, וכיצד הם קשורים לאור, אטומים ואירדיאציה.

הכשלון של הפיזיקה הקלאסית

אחת מהבעיות שהפיזיקה הקלאסית עמדה מולן הייתה הסברת המבנה והתנהגות האטומים. לפי הפיזיקה הקלאסית, אטום מורכב מגרעין טעון חיובית המקיף אותו אלקטרונים טעונים שלילית שמסתובבים סביבו כמו כוכבי לכת סביב השמש. הכוח שמחזיק באלקטרונים במסלולים שלהם הוא האיזון בין חוק קולון, המושך אותם לגרעין, והכוח הצנטריפוגלי, המדחף אותם החוצה.

עם זאת, לדגם הזה היה בעיה גדולה: לפי התאוריה האלקטרומגנטיות הקלאסית, חלקיק טעון מאיץ פולט קרינה אלקטרומגנטית. זה אומר שאלקטרון מסתובב צריך לאבד אנרגיה ולהתפתל אל תוך הגרעין, מה שיביא לאטומים בלתי יציבים ונפוצים. זה בבירור לא קורה המציאות, לפיכך הפיזיקה הקלאסית לא יכלה להסביר את יציבות האטומים.

בעיה נוספת שהפיזיקה הקלאסית עמדה מולן הייתה הסברת פליטת אור מעצמים מחוממים, המכונה קרינת גוף שחור. לפי הפיזיקה הקלאסית, גוף שחור הוא עצם אידיאלי שמקבל את כל הקרינה הנכנסת ומפליט קרינה בכל התדרים בהתאם לטמפרטורתו. עוצמת הקרינה המופלטת צריכה לעלות באופן מתמשך עם התדר, לפי נוסחה שנגזרה על ידי ריילי וג'ינס.

עם זאת, הנוסחה הזו הצביעה על כך שהגוף השחור יפליט כמויות אינסופיות של אנרגיה בתדרים גבוהים, מה שהיה בסתירה לתצפיות ניסוייות. פרדוקס זה היה ידוע כתאונה האולטרה סגול כי הוא מרמז שהגוף השחור יפליט יותר קרינה אולטרה סגול מאשר אור נראה.

הפיזיקה הקלאסית נכשלה בהסברת התופעות הללו כי היא הניחה כי אנרגיה יכולה להועבר או להשתנות בכל כמות, ללא קשר לתדר או לאורך הגל שלה. עם זאת, הנחה זו התבררה כשגויה כאשר הפיזיקה הקוונטית הציגה את הרעיון של קוונטים של אנרגיה.

גילוי הקוונטים של אנרגיה

הרעיון של קוונטים של אנרגיה הוצע לראשונה על ידי מקס פלאנק בשנת 1900 כשהוא בחן את קרינת הגוף השחור. כדי לפתור את תאונה האולטרה סגול, הוא הציע כי אנרגיה יכולה להיות מופלטת או מושכת רק בחבילות דיסקרטיות, ולא באופן רציף. הוא קרא לחבילות האלו "קוונטים" או "אלמנטי אנרגיה", והוא קשור את האנרגיה שלהם לתדר באמצעות נוסחה פשוטה:

E = hf

כאשר E היא האנרגיה של קוונט, f הוא התדר שלו, ו-h הוא קבוע שידוע כיום כקבוע פלאנק (6.626 x 10^-34 J s).

נוסחת פלאנק העידה כי גוף שחור יכול לפלוט רק תדרים מסוימים של קרינה בהתאם לטמפרטורתו ושתדרים גבוהים דורשים כמויות גבוהות יותר של אנרגיה. זה מסביר מדוע גוף שחור אינו מפליט כמויות אינסופיות של קרינה אולטרה סגול, כי יהיה צורך בכמויות אינסופיות של אנרגיה לעשות זאת.

הרעיון של פלאנק היה מהפכני כי הוא הציע כי אנרגיה היא קוונטית, כלומר שהיא יכולה לקבל רק ערכים דיסקרטיים שהם כפולות של קבוע פלאנק. זה סותר את הפיזיקה הקלאסית, שהניחה כי אנרגיה יכולה לקבל כל ערך.

הרעיון של פלאנק נתמך עוד על ידי אלברט איינשטיין בשנת 1905 כשהוא הסביר תופעה נוספת שהפיזיקה הקלאסית לא יכלה: אפקט הפוטואלקטרי.

אפקט הפוטואלקטרי הוא פליטת אלקטרונים משטח מתכת כאשר הוא מחשוף לאור. לפי הפיזיקה הקלאסית, מספר האלקטרונים המופלטים והאנרגיה שלהם צריכים להשתנות בהתאם לעוצמה ובהתאם לאורך הגל של האור, בהתאמה.

עם זאת, ניסויים הראו שזה לא נכון: במקום זאת, מספר האלקטרונים המופלטים תלוי בתדר של האור, והיה תדר מינימלי מתחת אליו לא פלטו אלקטרונים כלל. האנרגיה של האלקטרונים המופלטים תלויה גם בתדר וגם בעוצמה: תדר גבוה יותר פירושו אנרגיה גבוהה יותר, בעוד עוצמה גבוהה יותר פירושה יותר אלקטרונים.

איינשטיין הסביר זאת על ידי הרחבת הרעיון של פלאנק והניח כי האור עצמו הוא קוונטי לחבילות שנקראות פוטונים.

הוא הציע כי לכל פוטון יש אנרגיה פרופורציונלית לתדר שלו, לפי אותה נוסחה כמו פלאנק:

E = hf

הוא גם הציע כי כאשר פוטון פוגע בשטח מתכת, הוא יכול להעביר את האנרגיה שלו לאלקטרון. אם האנרגיה של הפוטון גדולה או שווה ל-פונקציית העבודה של המתכת, שהוא האנרגיה המינימלית הנדרשת כדי להוציא אלקטרון משטח, אז האלקטרון יפלוט עם אנרגיה קינטית השווה להפרש:

KE = hf – Φ

כאשר KE היא האנרגיה הקינטית של הפוטואלקטרון, ו-Φ היא פונקציית העבודה של המתכת.

הסברו של איינשטיין לאפקט הפוטואלקטרי הראה כי האור מתנהג כמו חלקיק כאשר הוא מתקשר עם חומר וכי האנרגיה שלו היא קוונטית לפוטונים. זהו היה פרידה רדיקלית מהפיזיקה הקלאסית, שהתייחסה לאור כגל רציף.

תיאוריה של איינשטיין לאפקט הפוטואלקטרי נאמתת בניסוי על ידי רוברט מיליקן בשנת 1916, שמדד את האנרגיה הקינטית של הפוטואלקטרונים כתלות בתדר ובעוצמת האור. הוא מצא כי התוצאות הסכימו עם התחזיות של איינשטיין ושהיתה מערכתיות ליניארית בין האנרגיה הקינטית לתדר, עם שיפוע שווה לקבוע פלאנק.

המשמעות של קוונטים של אנרגיה

גילוי הקוונטים של אנרגיה היה פריצת דרך משמעותית בפיזיקה, שכן הוא חשף כי חומר ואנרגיה אינם ישויות נפרדות, אלא אספקטים שונים של אותה המציאות. הוא גם הראה כי תופעות פיזיקליות ברמה הסוב-אטומית לא ניתן להסביר בעזרת הפיזיקה הקלאסית, המניחה כי חומר ואנרגיה הם רציפים ודטרמיניסטיים.

קוונטים של אנרגיה הם חיוניים להבנת רבים מהאספקים של הפיזיקה הקוונטית, כגון מבנה אטומי, קווים ספקטרליים, קשרים כימיים, לייזרים ומעבר קוונטי. הם גם יש להם יישומים מעשיים רבים בתחומים כמו מדעי החומרים, ננו-טכנולוגיה, אלקטרוניקה ורפואה.

לדוגמה, קוונטים של אנרגיה משמשים ליצירת התקנים כגון תאים פוטו-וולטאיים, הממירים אור לאנרגיה חשמלית; צינורות פוטומולטיפלייר, המשפרים אותות אופטיים חלשים; ולוחמי אור דיודות (LEDs), המפיקים אור מאנרגיה חשמלית. קוונטים של אנרגיה משמשים גם למדידת מאפיינים כגון טמפרטורה, לחץ, קרינה ו-שדות מגנטיים.

קוונטים של אנרגיה הם גם חשובים למחקר תופעות כגון פיצול גרעיני ו융ד, המעורר את המרת מסה לאנרגיה לפי המשוואה המפורסמת של איינשטיין:

E = mc^2

כאשר E היא האנרגיה המשוחררת או המושכת, m היא ההבדל במסה לפני ואחרי התגובה, ו-c היא מהירות האור.

קוונטים של אנרגיה מעורבים גם בתהליכים כגון הדעיכה הרדיואקטיבית, המתרחשת כאשר גרעין בלתי יציב פולט חלקיקים או פוטונים; ויצירה זוגית, המתרחשת כאשר פוטון אנרגיה גבוהה יוצר זוג אלקטרון-פוזיטרון.

מסקנה

קוונטים של אנרגיה הם היחידות הקטנות ביותר של אנרגיה שיכולים להועבר או להשתנות בתהליכים פיזיקליים. הם הם הבניינים של הפיזיקה הקוונטית, המאורגנת את התנהגות החומר והאנרגיה ברמה הסוב-אטומית.

הרעיון של קוונטים של אנרגיה הוצע לראשונה על ידי מקס פלאנק בשנת 1900 כדי להסביר את קרינת הגוף השחור ולאחר מכן הורחב על ידי אלברט איינשטיין בשנת 1905 כדי להסביר את אפקט הפוטואלקטרי. התופעות הללו הראו כי אנרגיה היא קוונטית, כלומר שהיא יכולה לקבל רק ערכים דיסקרטיים שהם כפולות של קבוע פלאנק.

גילוי הקוונטים של אנרגיהallenge the classical physics, which assumed that energy could take any value and that light behaves like a continuous wave. It also revealed that matter and energy are not separate entities, but different aspects of the same reality.

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