Energetska kvantna su najmanji jedinice energije koje se mogu prenijeti ili razmijeniti u fizičkim procesima. One su sastavnice kvantne fizike, koja opisuje ponašanje tvari i energije na subatomskom nivou. Energetske kvante također se zovu kvanti, kvanta ili paketi energije.

Kvantna fizika nastala je na početku 20. stoljeća kao nova grana fizike koja je izazivala klasičnu fiziku Newtonevu i Maxwellovu. Klasična fizika nije mogla objasniti neka pojave, poput emitiranja svjetlosti od zagrijanih objekata, stabilnosti atoma, te diskretnih uzoraka spektralnih linija. Kvantna fizika je uvela koncept kvantizacije, što znači da neki fizički svojstva mogu poprimiti samo diskretne vrijednosti, a ne kontinuirane.

U ovom članku istražit ćemo podrijetlo i značaj energetskih kvanta, te kako se oni odnose na svjetlost, atome i radijaciju.

Propast klasične fizike

Jedan od problema s kojima se suočavala klasična fizika bilo je objašnjavanje strukture i ponašanja atoma. Prema klasičnoj fizici, atom sastoji se od pozitivno nabijenog jezgra okruženog negativno nabijenim elektronima koji se kreću oko njega poput planeta oko sunca. Sila koja zadržava elektrone u njihovim orbitama jest ravnoteža između Coulombove sile, koja ih privlači prema jezgru, i centrifugalne sile, koja ih odbija.

Međutim, ovaj model imao je veliki nedostatak: prema klasičnoj elektromagnetskoj teoriji, ubrzani nabijeni čestice emitiraju elektromagnetsku radijaciju. To znači da bi se orbitirajući elektron trebao iscrpiti i spiraliroati prema jezgru, što bi činilo atome nestabilnim i dovodilo ih do kolapsa. Ovo se očito ne dešava u stvarnosti, pa klasična fizika nije mogla objasniti stabilnost atoma.

Drugi problem s kojim se suočavala klasična fizika bio je objašnjavanje emitiranja svjetlosti od zagrijanih objekata, poznato kao crnotijelo radijacija. Prema klasičnoj fizici, crno tijelo je idealni objekt koji apsorbira sve dolazeće radijacije i emitira radijaciju na svim frekvencijama ovisno o svojoj temperaturi. Intenzitet emitirane radijacije trebao bi se kontinuirano povećavati s frekvencijom, prema formuli koju su izveli Rayleigh i Jeans.

Međutim, ova formula predviđala je da bi crno tijelo emitiralo beskonačne količine energije na visokim frekvencijama, što je suprotno eksperimentalnim promatranjima. Ovaj paradoks bio je poznat kao ultraljubičasti katastrofa jer je sugerirao da bi crno tijelo emitiralo više ultraljubičaste radijacije od vidljive svjetlosti.

Klasična fizika nije uspjela objasniti ove pojave jer je pretpostavljala da se energija može prenositi ili razmjenjivati u bilo kojoj količini, bez obzira na njenu frekvenciju ili valnu duljinu. Međutim, ta pretpostavka se pokazala netočnom kad je kvantna fizika uvela koncept energetskih kvanta.

Otkriće energetskih kvanta

Koncept energetskih kvanta prvi je predložio Max Planck 1900. godine kada je proučavao crnotijelo radijaciju. Da bi riješio ultraljubičasti katastrofu, predložio je da se energija može emitirati ili apsorbirati samo u diskretnim paketima, a ne kontinuirano. Ti paketi nazvao je "kvanti" ili "energetske elemente", a vezu njihove energije s frekvencijom izrazio je jednostavnim formulom:

E = hf

Gdje E predstavlja energiju kvanta, f njegovu frekvenciju, a h konstantu koja se danas zove Planckova konstanta (6.626 x 10^-34 J s).

Planckova formula sugerirala je da crno tijelo može emitirati samo određene frekvencije radijacije ovisno o svojoj temperaturi, a da više frekvencije zahtijevaju veće količine energije. To objašnjava zašto crno tijelo ne emitira beskonačne količine ultraljubičaste radijacije, jer bi za to trebale beskonačne količine energije.

Planckova ideja bila je revolucionarna jer je sugerirala da je energija kvantizirana, što znači da može poprimiti samo diskretne vrijednosti koje su višekratnici Planckove konstante. To je suprotno klasičnoj fizici, koja je pretpostavljala da energija može poprimiti bilo koju vrijednost.

Planckova ideja još je više dobila podršku od Alberta Einsteina 1905. godine kada je objasnio još jednu pojavu koju klasična fizika nije mogla: fotoelektrični efekt.

Fotoelektrični efekt je emitiranje elektrona sa površine metala kada je izložen svjetlosti. Prema klasičnoj fizici, broj i energija emitiranih elektrona trebali bi ovisiti o intenzitetu i valnoj duljini svjetlosti, redom.

Međutim, eksperimenti su pokazali da to nije istina: umjesto toga, broj emitiranih elektrona ovisi o frekvenciji svjetlosti, a postoji minimalna frekvencija ispod koje se ne emitiraju nikakvi elektroni. Energija emitiranih elektrona ovisi o frekvenciji i intenzitetu: viša frekvencija znači viša energija, dok viši intenzitet znači više elektrona.

Einstein je to objasnio proširujući Planckovu ideju i pretpostavljajući da sama svjetlost je kvantizirana u pakete zvani fotoni.

Predložio je da svaki foton ima energiju proporcionalnu njegovoj frekvenciji, dano istom formulom kao i kod Plancka:

E = hf

Također je predložio da kada foton udari o površinu metala, može prenijeti svoju energiju elektronu. Ako je energija fotona veća ili jednaka radnoj funkciji metala, što je minimalna energija potrebna za izbacivanje elektrona sa površine, tada će se elektron emitirati s kinetičkom energijom jednako razlici:

KE = hf – Φ

Gdje KE predstavlja kinetičku energiju fotoelektrona, a Φ radnu funkciju metala.

Einsteinovo objašnjenje fotoelektričnog efekta pokazalo je da se svjetlost ponaša kao čestica kada interagira s tvari, a da je njegova energija kvantizirana u fotone. To je bila radikalna odstupanja od klasične fizike, koja je tretirala svjetlost kao kontinuiranu valnu.

Einsteinova teorija fotoelektričnog efekta potvrđena je eksperimentalno od strane Roberta Millikana 1916. godine, koji je izmjerio kinetičku energiju fotoelektrona kao funkciju frekvencije i intenziteta svjetlosti. Pronašao je da rezultati odgovaraju Einsteinovim predvidanjima, a da postoji linearna relacija između kinetičke energije i frekvencije, s nagibom jednakim Planckovoj konstanti.

Značaj energetskih kvanta

Otkriće energetskih kvanta bilo je veliki skok naprijed u fizici, jer je otkrilo da tvari i energija nisu odvojene entitete, već različite aspekte iste stvarnosti. Također je pokazalo da se fizički pojavi na subatomskom nivou ne mogu objasniti klasičnom fizikom, koja pretpostavlja da su tvari i energija kontinuirane i determinističke.

Energetske kvante su ključne za razumijevanje mnogih aspekata kvantne fizike, poput atomske strukture, spektralnih linija, kemijskih veza, laserskih sistema i kvantnog tuneliranja. Također imaju mnoge praktične primjene u područjima poput materijalne znanosti, nanotehnologije, elektronike i medicine.

Na primjer, energetske kvante koriste se za stvaranje uređaja poput fotovoltačkih celija, koje pretvaraju svjetlost u električnu energiju; fotomultiplicatorskih cijevi, koje amplificiraju slabe signale svjetlosti; i svjetlosnih dioda (LED), koje proizvode svjetlost iz električne energije. Energetske kvante koriste se i za mjerenje svojstava poput temperature, tlaka, radijacije i magnetskih polja.

Energetske kvante su također važne za proučavanje pojava poput nuklearne fisije i fuzije, koje uključuju pretvorbu mase u energiju prema Einsteinovoj poznatoj formuli:

E = mc^2

Gdje E predstavlja oslobađenu ili apsorbiranu energiju, m razliku mase prije i poslije reakcije, a c brzinu svjetlosti.

Energetske kvante uključene su i u procese poput radioaktivnog raspada, koji se događa kada nestabilno jezgro emitira čestice ili fotone; i stvaranje para, kada visokoenergetski foton stvara par elektron-positron.

Zaključak

Energetske kvante su najmanje jedinice energije koje se mogu prenijeti ili razmijeniti u fizičkim procesima. One su sastavnice kvantne fizike, koja opisuje ponašanje tvari i energije na subatomskom nivou.

Koncept energetskih kvanta prvi je predložio Max Planck 1900. godine kako bi objasnio crnotijelo radijaciju, a kasnije ga je proširio Albert Einstein 1905. godine kako bi objasnio fotoelektrični efekt. Ove pojave su pokazale da je energija kvantizirana, što znači da može poprimiti samo diskretne vrijednosti koje su višekratnici Planckove konstante.

Otkriće energetskih kvanta izazvalo je klasičnu fiziku, koja je