ऊर्जा क्वांटा ऐसी सबसे छोटी इकाइयाँ हैं जिन्हें भौतिक प्रक्रियाओं में स्थानांतरित या विनिमय किया जा सकता है। ये क्वांटम भौतिकी के निर्माण खंड हैं, जो उपपरमाणु स्तर पर पदार्थ और ऊर्जा के व्यवहार का वर्णन करती है। ऊर्जा क्वांटा को क्वांटा, क्वांटम या ऊर्जा पैकेट्स के रूप में भी जाना जाता है।

क्वांटम भौतिकी 20वीं शताब्दी की शुरुआत में एक नई भौतिकी की शाखा के रूप में उभरी, जो न्यूटन और मैक्सवेल की क्लासिकल भौतिकी को चुनौती दी। क्लासिकल भौतिकी कुछ घटनाओं, जैसे गर्म वस्तुओं से प्रकाश का उत्सर्जन, परमाणुओं की स्थिरता, और विशिष्ट स्पेक्ट्रल रेखाओं के पैटर्न को समझाने में असफल रही। क्वांटम भौतिकी ने क्वांटीकरण की अवधारणा पेश की, जिसका अर्थ है कि कुछ भौतिक गुण निरंतर मानों की बजाय असतत मान ले सकते हैं।

इस लेख में, हम ऊर्जा क्वांटा की उत्पत्ति और महत्व, और उनका प्रकाश, परमाणुओं और विकिरण से संबंध जानेंगे।

क्लासिकल भौतिकी की विफलता

क्लासिकल भौतिकी को सामना करना पड़ा था परमाणुओं की संरचना और व्यवहार को समझाने की समस्या। क्लासिकल भौतिकी के अनुसार, एक परमाणु एक धनात्मक आवेशित नाभिक से घिरा होता है, जिसके चारों ओर ऋणात्मक आवेशित इलेक्ट्रॉन सूर्य के चारों ओर ग्रहों की तरह घूमते हैं। इलेक्ट्रॉनों को उनके कक्ष में रखने वाली शक्ति वह बलात्मक संतुलन है जो नाभिक को आकर्षित करता है, और जो इलेक्ट्रॉनों को दूर धकेलता है।

हालांकि, यह मॉडल एक बड़ी खामी थी: क्लासिकल विद्युत चुंबकीय सिद्धांत के अनुसार, एक त्वरित आवेशित कण विद्युत चुंबकीय विकिरण उत्सर्जित करता है। इसका अर्थ है कि एक कक्ष में घूमने वाला इलेक्ट्रॉन ऊर्जा खो देगा और नाभिक में स्पाइरल बनाएगा, जो परमाणुओं को अस्थिर बनाएगा और विघटित हो जाएंगे। यह वास्तव में नहीं होता, इसलिए क्लासिकल भौतिकी परमाणुओं की स्थिरता को समझाने में असफल रही।

क्लासिकल भौतिकी को सामना करना पड़ा था गर्म वस्तुओं से प्रकाश के उत्सर्जन, जिसे काला-शरीर विकिरण के रूप में जाना जाता है, को समझाने की समस्या। क्लासिकल भौतिकी के अनुसार, एक काला-शरीर एक आदर्श वस्तु है जो सभी आगंतुक विकिरण को अवशोषित करता है और उसके तापमान पर निर्भर करके सभी आवृत्तियों पर विकिरण उत्सर्जित करता है। उत्सर्जित विकिरण की तीव्रता आवृत्ति के साथ लगातार बढ़ती है, जैसा कि रेलिग और जीन्स द्वारा व्युत्पन्न सूत्र द्वारा दिखाया गया था।

हालांकि, यह सूत्र भविष्यवाणी करता था कि एक काला-शरीर उच्च आवृत्तियों पर असीम ऊर्जा उत्सर्जित करेगा, जो प्रयोगशाला अवलोकनों के विपरीत था। इस प्रकांड को अल्ट्रावायोलेट विपरीत घटना के रूप में जाना जाता था क्योंकि यह इंगित करता था कि एक काला-शरीर दृश्य प्रकाश की तुलना में अधिक अल्ट्रावायोलेट विकिरण उत्सर्जित करेगा।

क्लासिकल भौतिकी इन घटनाओं को समझाने में असफल रही क्योंकि यह मानती थी कि ऊर्जा को किसी भी मात्रा में, आवृत्ति या तरंगदैर्ध्य के बिना, स्थानांतरित या विनिमय किया जा सकता है। हालांकि, यह मान्यता गलत साबित हुई जब क्वांटम भौतिकी ऊर्जा क्वांटा की अवधारणा पेश की।

ऊर्जा क्वांटा की खोज

ऊर्जा क्वांटा की अवधारणा पहली बार 1900 में मैक्स प्लांक द्वारा प्रस्तावित की गई थी जब वह काला-शरीर विकिरण का अध्ययन कर रहे थे। अल्ट्रावायोलेट विपरीत घटना को हल करने के लिए, उन्होंने सुझाव दिया कि ऊर्जा को केवल डिस्क्रीट पैकेट्स में, निरंतर नहीं, उत्सर्जित या अवशोषित किया जा सकता है। उन्होंने इन पैकेट्स को "क्वांटा" या "ऊर्जा तत्व" कहा, और उनकी ऊर्जा को उनकी आवृत्ति से एक सरल सूत्र द्वारा संबंधित किया:

E = hf

जहाँ E एक क्वांटम की ऊर्जा, f उसकी आवृत्ति, और h एक स्थिरांक है जो अब प्लांक का स्थिरांक (6.626 x 10^-34 J s) के रूप में जाना जाता है।

प्लांक का सूत्र इंगित करता था कि एक काला-शरीर केवल उसके तापमान और उच्च आवृत्तियों के आधार पर विशिष्ट आवृत्तियों का विकिरण कर सकता है, और उच्च आवृत्तियों के लिए अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है। यह समझाता है कि एक काला-शरीर असीम अल्ट्रावायोलेट विकिरण उत्सर्जित नहीं करता, क्योंकि इसके लिए असीम ऊर्जा की आवश्यकता होगी।

प्लांक का विचार क्रांतिकारी था क्योंकि यह सुझाव दिया कि ऊर्जा क्वांटीकरित है, जिसका अर्थ है कि यह केवल प्लांक के स्थिरांक के गुणज मान ले सकती है। यह क्लासिकल भौतिकी के विपरीत था, जो मानती थी कि ऊर्जा कोई भी मान ले सकती है।

1905 में अल्बर्ट आइंस्टीन ने एक और घटना को समझाने में प्लांक के विचार को आगे बढ़ाया, जिसे क्लासिकल भौतिकी नहीं समझा सकी थी: फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव।

फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव एक धातु सतह से इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन है जब उसे प्रकाश से उजागर किया जाता है। क्लासिकल भौतिकी के अनुसार, उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों की संख्या और ऊर्जा क्रमशः प्रकाश की तीव्रता और तरंगदैर्ध्य पर निर्भर करती है।

हालांकि, प्रयोग दिखाते थे कि यह सच नहीं था: बल्कि, उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों की संख्या प्रकाश की आवृत्ति पर निर्भर करती थी, और एक न्यूनतम आवृत्ति के नीचे जिसके नीचे कोई इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित नहीं होता था। उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा आवृत्ति और तीव्रता दोनों पर निर्भर करती थी: उच्च आवृत्ति उच्च ऊर्जा का अर्थ था, जबकि उच्च तीव्रता अधिक इलेक्ट्रॉनों का अर्थ था।

आइंस्टीन ने प्लांक के विचार को आगे बढ़ाकर और यह मानकर कि प्रकाश स्वयं क्वांटीकरित है, फोटों के रूप में पैकेटों में बंद है, इसे समझाया।

उन्होंने सुझाव दिया कि प्रत्येक फोटोन की ऊर्जा उसकी आवृत्ति के अनुपात में होती है, जो प्लांक के सूत्र के द्वारा दिया गया था:

E = hf

उन्होंने भी प्रस्तावित किया कि जब एक फोटोन एक धातु सतह पर प्रहार करता है, तो यह अपनी ऊर्जा को एक इलेक्ट्रॉन को स्थानांतरित कर सकता है। यदि फोटोन की ऊर्जा धातु के कार्य फंक्शन, जो सतह से इलेक्ट्रॉन निकालने के लिए आवश्यक न्यूनतम ऊर्जा, के बराबर या उससे अधिक है, तो इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित होगा और इसकी गतिज ऊर्जा अंतर के बराबर होगी:

KE = hf – Φ

जहाँ KE फोटोइलेक्ट्रॉन की गतिज ऊर्जा, और Φ धातु का कार्य फंक्शन है।

आइंस्टीन का फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव का विश्लेषण दिखाता है कि प्रकाश जब पदार्थ के साथ अंतरक्रिया करता है तो एक कण की तरह व्यवहार करता है और इसकी ऊर्जा फोटों में क्वांटीकरित होती है। यह क्लासिकल भौतिकी से एक राडिकल विचलन था, जो प्रकाश को एक निरंतर तरंग के रूप में देखती थी।

आइंस्टीन का फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव का सिद्धांत 1916 में रॉबर्ट मिलिकन द्वारा प्रयोगशाला में पुष्टि किया गया, जिन्होंने प्रकाश की तीव्रता और आवृत्ति के फलस्वरूप फोटोइलेक्ट्रॉनों की गतिज ऊर्जा को मापा। उन्होंने पाया कि परिणाम आइंस्टीन की भविष्यवाणियों के साथ सहमत थे और आवृत्ति और गतिज ऊर्जा के बीच एक रेखीय संबंध था, जिसका ढाल प्लांक के स्थिरा