ენერგიის კვანტები არიან უმცირესი ენერგიის ერთეულები, რომლებიც შეიძლება გადაიცემოდეს ან გადაიცვალოს ფიზიკური პროცესებში. ისინი არიან კვანტური ფიზიკის საშუალები, რომელიც აღწერს მატერიის და ენერგიის ქცევას ქვეატომარ დონეზე. ენერგიის კვანტები ასევე ცნობილია როგორც კვანტები, კვანტური ენერგიის პაკეტები.

კვანტური ფიზიკა გამოჩნდა 20-ე საუკუნის დასაწყისში როგორც ფიზიკის ახალი დარგი, რომელმაც შეერთა კლასიკური ფიზიკა, რომელიც არ შეძლო ზოგიერთი ფენომენის ახსნა, როგორიც არის სინათლის გამოყოფა გათბობული საგანებიდან, ატომების სტაბილობა და სპექტრული ხაზების დისკრეტული მოდელები. კვანტური ფიზიკა შემოიტანა კვანტურობის კონცეფცია, რაც ნიშნავს, რომ ზოგიერთი ფიზიკური თვისება შეიძლება მხოლოდ დისკრეტული მნიშვნელობები მიიღოს, არა კონტინუალური.

ამ სტატიაში განვიხილავთ ენერგიის კვანტების წარმოშობას და მნიშვნელობას, და როგორ ურთიერთდებიან ისინი სინათლესთან, ატომებთან და რადიაციასთან.

კლასიკური ფიზიკის შეცდომები

კლასიკური ფიზიკა შეერთა ატომების სტრუქტურასა და ქცევას ახსნა. კლასიკური ფიზიკის თანახმად, ატომი შედგება დადებითად დატვირთული ნივთიერების გარშემო და უარყოფითად დატვირთული ელექტრონები, რომლებიც მოძრავენ ასევე როგორც პლანეტები მზის გარშემო. ძალა, რომელიც ელექტრონებს მათ ტრაექტორიებზე დაიჭერს, არის ბალანსი კულონის ძალას და ცენტრიფუჯური ძალას შორის.

თუმცა, ეს მოდელი ჰქონდა დიდი შეცდომა: კლასიკური ელექტრომაგნიტური თეორიის თანახმად, აქსელირებული დატვირთული ნაწილაკი გამოსცემს ელექტრომაგნიტურ რადიაციას. ეს ნიშნავს, რომ რბილი ელექტრონი უნდა დაკარგოს ენერგია და ჩასვლას ნივთიერების შემდეგ, რაც გახდება ატომების დაშლა. ეს ნათელი არ ხდება რeczywistości, więc klasyczna fizyka nie mogła wytłumaczyć stabilności atomów.

Inny problem, z którym zmagała się klasyczna fizyka, to wyjaśnienie emisji światła przez nagrzane ciała, znane jako promieniowanie ciał doskonałych. Zgodnie z klasyczną fizyką, ciało doskonałe to idealne ciało, które absorbuje całe napływające promieniowanie i emituje promieniowanie we wszystkich częstotliwościach w zależności od temperatury. Intensywność emitowanego promieniowania powinna ciągle rosnąć wraz z częstotliwością, zgodnie ze wzorem wywiedzionym przez Rayleigha i Jeansa.

Jednakże ten wzór przewidywał, że ciało doskonałe będzie emitować nieskończone ilości energii na wysokich częstotliwościach, co było sprzeczne z doświadczeniami. Ta paradoks była znana jako katastrofa ultrafioletowa, ponieważ sugerowała, że ciało doskonałe emitowałoby więcej promieniowania ultrafioletowego niż widzialnego.

Klasyczna fizyka nie mogła wyjaśnić tych zjawisk, ponieważ zakładała, że energia może być przenoszona lub wymieniana w dowolnej ilości, niezależnie od jej częstotliwości lub długości fali. Jednakże to założenie okazało się błędne, gdy fizyka kwantowa wprowadziła pojęcie kwantu energii.

Odkrycie kwantów energii

Pojęcie kwantu energii zostało po raz pierwszy zaproponowane przez Maxa Plancka w 1900 roku, gdy badał promieniowanie ciał doskonałych. Aby rozwiązać katastrofę ultrafioletową, zaproponował, że energia może być emitowana lub absorbowana tylko w dyskretnych pakietach, a nie ciągle. Nazwał te pakiety "kwantami" lub "elementami energii" i powiązał ich energię z częstotliwością prostym wzorem:

E = hf

Gdzie E to energia kwantu, f to jego częstotliwość, a h to stała, która teraz jest znana jako stała Plancka (6.626 x 10^-34 J s).

Wzór Plancka sugerował, że ciało doskonałe może emitować tylko pewne częstotliwości promieniowania w zależności od temperatury, a wyższe częstotliwości wymagają większych ilości energii. To wyjaśnia, dlaczego ciało doskonałe nie emituje nieskończonych ilości promieniowania ultrafioletowego, ponieważ potrzebowałoby do tego nieskończenie dużo energii.

Pomysł Plancka był rewolucyjny, ponieważ sugerował, że energia jest kwantyzowana, co oznacza, że może przyjmować tylko dyskretne wartości, które są wielokrotnościami stałej Plancka. To przeciwstawiało się klasycznej fizyce, która zakładała, że energia może przyjąć dowolną wartość.

Pomysł Plancka został dalej wsparty przez Alberta Einsteina w 1905 roku, gdy wyjaśnił inne zjawisko, którego klasyczna fizyka nie mogła: efekt fotoelektryczny.

Efekt fotoelektryczny to emisja elektronów z powierzchni metalu, gdy jest on narażony na światło. Zgodnie z klasyczną fizyką, liczba i energia emitowanych elektronów powinny zależeć odpowiednio od natężenia i długości fali światła.

Jednakże doświadczenia pokazały, że to nieprawda: zamiast tego, liczba emitowanych elektronów zależała od częstotliwości światła, a istniała minimalna częstotliwość, poniżej której nie emitowano żadnych elektronów. Energia emitowanych elektronów zależała zarówno od częstotliwości, jak i natężenia: wyższa częstotliwość oznaczała wyższą energię, podczas gdy wyższe natężenie oznaczało więcej elektronów.

Einstein wyjaśnił to, rozszerzając pomysł Plancka i zakładając, że samo światło jest kwantyzowane w pakiety zwane fotony.

Zasugerował, że każdy foton ma energię proporcjonalną do swojej częstotliwości, zgodnie z tym samym wzorem co Planck:

E = hf

Zasugerował również, że gdy foton uderza w powierzchnię metalu, może przekazać swoją energię elektronowi. Jeśli energia fotonu jest większa lub równa funkcji pracy metalu, która jest minimalną energią potrzebną do wyrzucenia elektronu z powierzchni, to elektron zostanie wyrzucony z kinetyczną energią równą różnicy:

KE = hf – Φ

Gdzie KE to kinetyczna energia fotoelektronu, a Φ to funkcja pracy metalu.

Wyjaśnienie Einsteina efektu fotoelektrycznego pokazało, że światło zachowuje się jak cząstka, gdy oddziałuje z materią, a jego energia jest kwantyzowana w formie fotonów. To było radykalnym odejściem od klasycznej fizyki, która traktowała światło jako ciągłą falę.

Teoria Einsteina dotycząca efektu fotoelektrycznego została potwierdzona doświadczalnie przez Roberta Millikana w 1916 roku, który zmierzył kinetyczną energię fotoelektronów w zależności od częstotliwości i natężenia światła. Stwierdził, że wyniki zgadzały się z przewidywaniami Einsteina i że istniała liniowa zależność między kinetyczną energią a częstotliwością, z nachyleniem równym stałej Plancka.

Znaczenie kwantów energii

Odkrycie kwantów energii było przełomowe w fizyce, ponieważ ujawniło, że materia i energia nie są osobnymi jednostkami, ale różnymi aspektami tej samej rzeczywistości. Pokazało również, że fizyczne zjawiska na subatomowym poziomie nie mogą być wyjaśnione przez klasyczną fizykę, która zakłada, że materia i energia są ciągłe i deterministyczne.

Kwanty energii są niezbędne do zrozumienia wielu aspektów kwantowej fizyki, takich jak struktura atomów, spektralne linie, wiązania chemiczne, lasery i tunelowanie kwantowe. Mają one także wiele praktycznych zastosowań w dziedzinach takich jak nauki o materiałach, nanotechnologia, elektronika i medycyna.

Na przykład, kwanty energii są używane do tworzenia urządzeń takich jak fotonowe komórki, które przekształcają światło w energię elektryczną; fotomnożniki, które wzmacniają słabe sygnały światła; i diody elektroluminescencyjne (LED), które produkują światło z energii elektrycznej. Kwanty energii są również używane do pomiaru właściwości takich jak temperatura, ciśnienie, promieniowanie i pola magnetyczne.

Kwanty energii są również ważne dla badania zjawisk takich jak rozpad jądrowy i termojądrowa fuzja, które obejmują przekształcanie masy w energię zgodnie z słynnym równaniem Einsteina:

E = mc^2

Gdzie E to uwolniona lub pochłonięta energia, m to różnica masy przed i po reakcji, a c to prędkość światła.

Kwanty energii są również zaangażowane w procesy takie jak promieniowanie radioaktywne, które występuje, gdy niestabilne jądro emituje cząstki lub fotony; oraz parowanie, które występuje, gdy foton o wysokiej energii tworzy parę elektron-positron.

Podsumowanie

Kwanty energii to najmniejsze jednostki energii, które mogą być przenoszone lub wymieniane w procesach fizycznych. Są one budulcem kwantowej fizyki, która opisuje zachowanie materii i energii na subatomowym poziomie.

Pojęcie kwantów energii zostało po raz pierwszy zaproponowane przez Maxa Plancka w 1900 roku, aby wyjaśnić promieniowanie ciał doskonałych, a następnie rozszerzone przez Alberta Einsteina w 1905 roku, aby wyjaśnić efekt fotoelektryczny. Te zjawiska pokazały, że energia jest kwantyzowana, co oznacza, że może przyjmować tylko dyskretne wartości, które są wielokrotnościami stałej Plancka.

Odkrycie kwantów energii wyzwoliło klasyczną fizykę, która zakładała, że energia może przyjąć dowolną wartość, a światło zachowuje się jak ciągła fala. Ujawniło również, że materia i energia nie są oddzielnymi jednostkami, ale różnymi aspektami tej samej rzeczywistości.

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