Orkueiningar eru minnstu orkueiningar sem hægt er að flytja eða skiptast í fyrir á meðan við um fysískar ferli. Þær eru byggingarsteinar kvantamekaniks, sem lýsir heppnum máta og orku á undiratómlegu stigi. Orkueiningar eru einnig kölluð kvantar, kvanta eða orkupakkar.

Kvantamekanik kom fram í byrjun tuttugustu aldarins sem ný tækni innan fysífræði sem var mótsögn við klassísku fysífræði Newtons og Maxwells. Klassísk fysífræði gat ekki útskýrt sumar atburði, eins og ljósgjöf af hitaðum hlutum, öruggleika atóma, og ósamfelldar mynstur spektrallína. Kvantamekanik setti fram hugmyndina um kvantun, sem merkir að sumar eiginleikar geta aðeins tekið ósamfelld gildi, ekki samfelld.

Í þessu greinum munum við rannsaka uppruna og mikilvægi orkueininga, og hvernig þær tengjast ljósi, atómum og stralningu.

Misfall klassískrar fysífræði

Eitt af vandamálum sem klassísk fysífræði stóð fyrir var að útskýra uppbyggingu og heppni atóma. Eftir klassísku fysífræði bestóð atómur af jákvætt ladda kjarni sem var umringaður af neikvætt ladda elektrónum sem snúðust um hann eins og planeter um sól. Krafturinn sem haldið elektrónum í snúningi var jafnvægi milli Coulomb krafts, sem dregur þau til kjarnans, og sentrifugalkraft, sem bætir þeim frá.

Þessi líkan hefur hins vegar stórt gall: eftir klassískri elektromagnétískri kenningu, ætti hraðað ladda hlutur að senda út elektromagnétísk stralning. Þetta merkir að snúið elektrón ætti að tapa orku og fara í kjarnann, sem myndi gera atóm óörugg og brotna. Þetta gerist ekki í raun, svo klassísk fysífræði gat ekki útskýrt öruggleika atóma.

Annað vandamál sem klassísk fysífræði stóð fyrir var að útskýra ljósgjöf af hitaðum hlutum, sem er kend sem svartkropparstralning. Eftir klassísk fysífræði er svartur kroppur fullkominn hlutur sem tekur allar inngangan stralningar og sendir út stralning á öllum tíðniföllum eftir hitastig. Intensiteten af útsemdar stralning ætti að stiga óbundið með tíðnifalli, eftir formúlu Rayleigh og Jeans.

Þessi formúla fór út á að svartur kroppur myndi senda óendanlegt magn orku á háum tíðniföllum, sem mótsagði prófanlegum niðurstöðum. Þessi mótsögn var kend sem ultravélarstöðukvöldun vegna þess að hún bendi á að svartur kroppur myndi senda meira ultravélarstralning en sjónverð stralning.

Klassísk fysífræði mistók þessa atburði vegna þess að hún tók til grundvalls að orka gæti verið flutt eða skiptast í hvaða magn sem er, óháð tíðnifalli eða lengd. En þessi grundvöll var rangur þegar kvantamekanik setti fram hugmyndina um orkueiningar.

Upptök orkueininga

Hugmyndin um orkueiningar var fyrst sett fram af Max Planck árið 1900 þegar hann rannsakaði svartkropparstralningu. Til að leysa ultravélarstöðukvölduninni báði hann fram að orka gæti aðeins verið send út eða tekið við í ósamfelldum pakka, ekki samfelld. Hann kölluði þessa pakkana „kvantar“ eða „orkueiningar“, og tengdi hann orku þeirra við tíðniföll sínar einfaldri formúlu:

E = hf

Þar sem E er orka kvanta, f er tíðnifall, og h er fasti sem er nú kendur sem Plancks fasti (6.626 x 10^-34 J s).

Plancks formúla bendi á að svartur kroppur gæti aðeins sent út ákveðin tíðniföll af stralning eftir hitastig, og að hærri tíðniföll krefju hærri magns orku. Þetta útskýrir af hverju svartur kroppur sendir ekki óendanlegt magn ultravélarstralning, vegna þess að það myndi krefja óendanlegs magns orku til að gera það.

Plancks hugmynd var forystuleg vegna þess að hún bendi á að orka sé kvantuð, sem merkir að hún geti aðeins tekið ósamfelld gildi sem margföldun af Plancks fasti. Þetta mótsagði klassísku fysífræði, sem tók til grundvalls að orka gæti tekið hvaða gildi sem er.

Plancks hugmynd var frekar stuðluð af Albert Einstein árið 1905 þegar hann útskýrði annan atburð sem klassísk fysífræði gat ekki: ljósleiðaraefni.

Ljósleiðaraefni er útflutningur elektróna af metaltengslu þegar það er skoðað ljósinu. Eftir klassísk fysífræði ætti fjöldi og orka útfluttara elektróna að vera háð intensiteti og tíðnifalli ljóss, á sama hátt.

En prófanir sýndu að þetta væri ekki rétt: í staðinn var fjöldi útfluttara elektróna háð tíðnifalli ljóss, og það var lágmarks tíðnifall sem neðan við engin elektrón voru útflutt. Orka útfluttara elektróna var háð bæði tíðnifalli og intensiteti: hærra tíðnifall merkti hærra orku, en hærra intensiteti merkti fleiri elektrón.

Einstein útskýrði þetta með því að víðka Plancks hugmynd og taka til grundvalls að ljós sjálft sé kvantuð í pakka sem eru kölluð fótónar.

Hann báði fram að hver fótón hafi orku sem er háð tíðnifalli, eftir sama formúlu og Planck:

E = hf

Hann báði einnig fram að þegar fótón slær á metaltengsl, getur hann flutt orku sína yfir á elektrón. Ef fótóns orka er hærri eða jafn og virktengund metils, sem er lágmarks orka sem er nauðsynlegt til að setja elektrón út úr tengslinu, þá verður elektrónið útflutt með kinetísk orku sem er mismunur:

KE = hf – Φ

Þar sem KE er kinetísk orka ljósleiðara, og Φ er virktengund metils.

Einstein útskýring á ljósleiðaraefnin sýndi að ljós hafi atferl eins og partícula þegar það kemur í samskipti við efni og að orka hans sé kvantuð í fótóna. Þetta var radikall breyting frá klassískri fysífræði, sem sá ljós sem samfelldu bili.

Einstein kenning um ljósleiðaraefni var staðfest prófanlega af Robert Millikan árið 1916, sem mældi kinetísk orku ljósleiðara eftir tíðnifalli og intensiteti ljóss. Hann fann að niðurstöðurnar væru samræmdar við Einstein spárn og að væri línuleg tengsl milli kinetískar orku og tíðnifalls, með halla sem er jafnt Plancks fasti.

Mikilvægi orkueininga

Upptök orkueininga var stórt brékkhraun í fysífræði, vegna þess að það sýndi að efni og orka séu ekki sérstök hlutir, heldur mismunandi hliðar á sama raun. Það sýndi einnig að fysískar atburðir á undiratómlegu stigi gætu ekki verið útskýrðir af klassískri fysífræði, sem tók til grundvalls að efni og orka væru samfelld og ákveðnir.

Orkueiningar eru grunnþættir til að skilja mörg aspekt kvantamekaniks, eins og atómstruktur, spektrallínu, efnavinning, lasar og kvantatunneling. Þær hafa einnig mörg praktísk notkun í tæknum eins og efnavísindasvið, nanotækni, rafbæna og læknisfræði.

Til dæmis, orkueiningar eru notaðar til að búa til tæki eins og ljósnýtjar, sem breyta ljósi í rafmagn; ljósmagnari, sem magnifera veikt ljósaljód; og ljósbirtingar díoder (LED), sem birta ljós úr rafmagni. Orkueiningar eru einnig notaðar til að mæla eiginleika eins og hitastig, þrýsting, stralning og magnaleið.

Orkueiningar eru einnig mikilvægar til að rannsaka atburði eins og kjarnafission og fusión, sem tengjast umbreytingu massi í orku eftir Einstein kjarnaformúlu:

E = mc^2

Þar sem E er orka sem er losuð eða tekið við, m er massa mismun fyrir og eftir aðgerð, og c er hraði ljóss.

Orkueiningar eru einnig með í ferlum eins og geislunarbrotnun, sem gerist þegar óörugg kjarni sendir út partícula eða fótóna; og paraproduksjon, sem gerist þegar háorkufótón býr til elektrón-pozítón par.

Ályktun

Orkueiningar eru minnstu einingar orku sem hægt er að flytja eða skiptast í fyrir á meðan við um fysískar ferli. Þær eru byggingarsteinar kvantamekaniks, sem lýs