Էներգիայի քվանտը ամենափոքր էներգիայի միավորն է, որը կարող է փոխանցվել կամ փոխանցվել ֆիզիկական պրոցեսների ժամանակ։ Նրանք քվանտային ֆիզիկայի շենքավոր բլոկներ են, որը նկարագրում է համարիչ և էներգիայի վարքը սուբատոմական մակարդակում։ Էներգիայի քվանտները նաև հայտնի են որպես քվանտներ, քվանտային կամ էներգիայի փաթեթներ։
Քվանտային ֆիզիկան ծնվել է 20-րդ դարի սկզբում որպես ֆիզիկայի նոր ճյուղ, որը դիմել է Նյուտոնի և Մաքսվելի դասական ֆիզիկային։ Դասական ֆիզիկան չէր կարող բացատրել որոշ երևույթներ, ինչպիսին են ջերմացված օբյեկտներից լույսի լույսը, ատոմների կայունությունը և սպեկտրալ գծերի դիսկրետ մոդելները։ Քվանտային ֆիզիկան ներմուծել է քվանտացման գաղափարը, որը նշանակում է, որ որոշ ֆիզիկական հատկությունները կարող են ընդունել միայն դիսկրետ արժեքներ, ոչ թե անընդհատ արժեքներ։
Այս հոդվածում մենք կուսումնասիրենք էներգիայի քվանտների ծննդավայրը և նշանակությունը, ինչպես նաև նրանց կապը լույսի, ատոմների և ռադիացիայի հետ։
Դասական ֆիզիկայի հանդիպած մի խնդիրն էր ատոմների կառուցվածքը և վարքը բացատրելը։ Դասական ֆիզիկայի համաձայն, ատոմը բաղկացած է դրական լիցքով միջուկից, որի շուրջ պտտվում են բացասական լիցքով էլեկտրոններ՝ ինչպես մոլորակներ Արեգակի շուրջ։ Էլեկտրոնները իրենց ուղեծուն պահում են Կուլոնի ուժի և ցենտրիֆուգալ ուժի հավասարակշռման շնորհիվ, որը դրանք դեն են ներկայացնում միջուկին։
Այս մոդելն ուներ մեծ թերություն։ Դասական էլեկտրամագնիսական տեսության համաձայն, արագացող լիցքավոր մասնիկը էլեկտրամագնիսական ռադիացիա է լուսնում։ Սա նշանակում է, որ պտտվող էլեկտրոնը պետք է կորցնի էներգիա և սպիրալային հարթությամբ մոտենա միջուկին, որը կարող է դարձնել ատոմները անկայուն և կոլապսացնել դրանց։ Սա բացահայտ չէ իրականում, ուստի դասական ֆիզիկան չէր կարող բացատրել ատոմների կայունությունը։
Դասական ֆիզիկայի հանդիպած մեկ այլ խնդիր էր ջերմացված օբյեկտներից լույսի լույսը բացատրելը, որը հայտնի է որպես սև մարմնի ռադիացիա։ Դասական ֆիզիկայի համաձայն, սև մարմինը կատարյալ օբյեկտ է, որը բոլոր ելքային ռադիացիան կոնկրետ հաճախություններով կայանում է նրա ջերմության կախված։ Լուսնող ռադիացիայի ինտենսիվությունը պետք է անընդհատ ավելանա հաճախության հետ, ըստ Ռեյլեյի և Ջինսի բանաձևի։
Սակայն այս բանաձևը նախատեսում էր, որ սև մարմինը կլուսնի անվերջ քանակությամբ էներգիա բարձր հաճախություններով, որը հակասում է փորձարարական դիտումներին։ Այս պարադոքսը հայտնի է որպես ультрафիոլետային կատաստրոֆա, քանի որ նա նշանակում է, որ սև մարմինը կլուսնի ավելի շատ ուլտրավիոլետային ռադիացիա, քան երևային լույս։
Դասական ֆիզիկան չէր կարող բացատրել այս երևույթները, քանի որ նա ենթադրում էր, որ էներգիան կարող է փոխանցվել կամ փոխանցվել ցանկացած քանակով, անկախ նրա հաճախությունից կամ ալիքի երկարությունից։ Սակայն այս ենթադրությունը սխալ էր, երբ քվանտային ֆիզիկան ներմուծեց էներգիայի քվանտների գաղափարը։
Էներգիայի քվանտների գաղափարը առաջին անգամ ներկայացրել է Մաքս Պլանկը 1900 թվականին, երբ նա ուսումնասիրում էր սև մարմնի ռադիացիան։ Որպեսզի լուծի ուլտրավիոլետային կատաստրոֆան, նա առաջարկեց, որ էներգիան կարող է լուսնել կամ կուտակվել միայն դիսկրետ փաթեթներով, ոչ թե անընդհատ։ Նա այդ փաթեթները անվանեց «քվանտներ» կամ «էներգիայի տարրեր», և նրանց էներգիան հարաբերեց նրանց հաճախությանը պարզ բանաձևով.
E = hf
որտեղ E-ն քվանտի էներգիան է, f-ը նրա հաճախությունը, իսկ h-ն հաստատուն է, որը այժմ հայտնի է Պլանկի հաստատուն (6.626 x 10^-34 J s) որպես։
Պլանկի բանաձևը նշանակում է, որ սև մարմինը կարող է լուսնել միայն որոշ հաճախություններով նրա ջերմության կախված, և որ բարձր հաճախությունները պահանջում են բարձր քանակությամբ էներգիա։ Սա բացատրում է, թե なぜ黒体が無限の紫外線を放出しないのか、そのために必要なエネルギーが無限大であるためです。
Պլանկի գաղափարը հետագայում Ալբերտ Այնշտայնի կողմից 1905 թվականին հաստատվեց, երբ նա բացատրեց դասական ֆիզիկայի չկարողացած երևույթը՝ ֆոտոէլեկտրիկ էֆեկտը։
Ֆոտոէլեկտրիկ էֆեկտը մետաղի մակերևույթից էլեկտրոնների լուսնումն է, երբ այն արտահայտվում է լույսի երևույթով։ Դասական ֆիզիկայի համաձայն, լուսնող էլեկտրոնների քանակը և էներգիան պետք է կախված լինեն լույսի ինտենսիվությունից և ալիքի երկարությունից համապատասխանաբար։
Սակայն փորձերը ցույց տվեցին, որ դա ճիշտ չէ. փորձերը ցույց տվեցին, որ լուսնող էլեկտրոնների քանակը կախված է լույսի հաճախությունից, և կա նվազագույն հաճախություն, որի դեպքում էլեկտրոնները չեն լուսնում ողջամիտ։ Լուսնող էլեկտրոնների էներգիան կախված է հաճախությունից և ինտենսիվությունից. բարձր հաճախությունը նշանակում է բարձր էներգիա, իսկ բարձր ինտենսիվությունը նշանակում է ավելի շատ էլեկտրոններ։
Այնշտայնը այս երևույթը բացատրեց, ընդլայնելով Պլանկի գաղափարը և ենթադրելով, որ լույսը քվանտացված է փաթեթների, որոնք կոչվում են ֆոտոններ։
Նա առաջարկեց, որ յուրաքանչյուր ֆոտոն ունի էներգիա, որը համամասն է նրա հաճախությանը, ըստ նույն բանաձևի, ինչ Պլանկը ներկայացրել էր.
E = hf
Նա նաև առաջարկեց, որ երբ ֆոտոնը հարվածում է մետաղի մակերևույթին, այն կարող է փոխանցել իր էներգիան էլեկտրոնին։ Եթե ֆոտոնի էներգիան ավելի մեծ է կամ հավասար է մետաղի աշխատանքային ֆունկցիային, որը նվազագույն էներգիան է, որը պետք է էլեկտրոնը մակերևույթից դուրս բերել, ապա էլեկտրոնը կլուսնի կինետիկ էներգիայով, որը հավասար է տարբերությանը.
KE = hf – Φ
որտեղ KE-ն ֆոտոէլեկտրոնի կինետիկ էներգիան է, իսկ Φ-ն մետաղի աշխատանքային ֆունկցիան է։
Այնշտայնի ֆոտոէլեկտրիկ էֆեկտի բացատրությունը ցույց տվեց, որ լույսը գործում է մասնիկի նման, երբ այն փոխազդում է նյութի հետ, և նրա էներգիան քվանտացված է ֆոտոնների մեջ։ Սա շուրջ դասական ֆիզիկայի հետ կապված լույսի անընդհատ ալիքի հետ շարունակություն էր եղել նոր մոտեցում։
Այնշտայնի ֆոտոէլեկտրիկ էֆեկտի տեսությունը 1916 թվականին Ռոբերտ Միլլիկանի կողմից փորձարարական հաստատվեց, ով չափեց ֆոտոէլեկտրոնների կինետիկ էներգիան լույսի հաճախության և ինտենսիվության ֆունկցիայով։ Նա հայտնաբերեց, որ արդյունքները համապատասխանում են Այնշտայնի նախատեսումներին, և կինետիկ էներգիան և հաճախությունը գծային կապ ունեն, որի գործակիցը հավասար է Պլանկի հաստատունին։
