Enerģijas kvanti ir mazākie enerģijas vienības, kas var tikt pārnesti vai apmainīti fiziķu procesos. Tie ir kvantu fizikas pamatbloki, kas apraksta materijas un enerģijas uzvedību subatomārajā līmenī. Enerģijas kvantus sauc arī par kvantiem, kvantiem vai enerģijas pakotnēm.

Kvantu fizika izveidojās 20. gadsimta sākumā kā jauna fizikas nozare, kas izaicināja Newtona un Maksvella klāsisko fiziku. Klāsiskā fizika nevarēja izskaidrot dažas parādības, piemēram, gaismas izstarošanos no siltinātajiem objektiem, atomu stabilitāti un spektra līniju diskretos modelīs. Kvantu fizika ieviesa kvantificēšanas konceptu, kas nozīmē, ka dažas fizikas īpašības var pieņemt tikai diskretus vērtības, nevis nepārtrauktas.

Šajā rakstā mēs izpētīsim enerģijas kvantu izcelsmi un nozīmi, kā arī to, kā tie saistīti ar gaismu, atomiem un radiāciju.

Klāsiskās fizikas neizdevums

Viens no problēmām, ar ko saskārās klāsiskā fizika, bija atomu struktūras un uzvedības izskaidrošana. Pēc klāsiskās fizikas, atoms sastāv no pozitīvi nomagnētā kodola, kas apkārt apriņķots negatīvi nomagnētām elektronām, kā planētas apkārt Sauli. Spēks, kas uztur elektronas savos orbītās, ir balanss starp Kulomba spēku, kas tos piesaista kodolam, un centrifūgālo spēku, kas tos atspēd.

Tomēr šis modelis bija ar lielu trūkumu: pēc klāsiskās elektromagnētiskās teorijas, paātrināts nomagnētais dabisks emisē elektromagnētisko radiāciju. Tas nozīmē, ka orbītā esošs elektrons zaudētu enerģiju un spirāli ieplūstu kodolā, kas padarītu atomus nestabiliem un sabojātu tos. Šis, protams, neatbilst realitātei, tāpēc klāsiskā fizika nevarēja izskaidrot atomu stabilitāti.

Cita problēma, ar ko saskārās klāsiskā fizika, bija gaismas izstarošanas no siltinātajiem objektiem, zināma kā melnbodies radiācija, izskaidrošana. Pēc klāsiskās fizikas, melnbodies ir ideāls objekts, kas absorbu visu ienākošo radiāciju un izstaro radiāciju visās frekvencēs atkarībā no tā temperatūras. Izstaroto radiācijas intensitātei jāpieaug nepārtraukti ar frekvenci, saskaņā ar Rayleigh un Jeans formulēto formulu.

Tomēr šī formula prognozēja, ka melnbodies izstarotu bezgalīgu enerģijas daudzumu augstām frekvencēm, kas pretstātos eksperimentālajām novērojumiem. Šis paradokss bija pazīstams kā ultravioletais katastrofa, jo tas iedomāja, ka melnbodies izstarotu vairāk ultravioletās radiācijas nekā redzamās gaismas.

Klāsiskā fizika nevarēja izskaidrot šīs parādības, jo tā pieņēma, ka enerģija var tikt pārnesta vai apmainīta jebkurā daudzumā, neatkarīgi no tās frekvences vai garuma. Tomēr šis pieņēmums izrādījās nepareizs, kad kvantu fizika ieviesa enerģijas kvantu konceptu.

Enerģijas kvantu atklājums

Enerģijas kvantu koncepts tika pirmo reizi piedāvāts Maksom Planckam 1900. gadā, kad viņš pētīja melnbodies radiāciju. Lai atrisinātu ultravioleto katastrofu, viņš iesaka, ka enerģija var tikt emisēta vai absorbēta tikai diskretpakotnēs, nevis nepārtraukti. Viņš sauc šīs pakotnes par "kvantiem" vai "enerģijas elementiem", un saista to enerģiju ar to frekvenci vienkāršā formulā:

E = hf

Kur E ir kvanta enerģija, f ir tā frekvence, un h ir konstante, ko tagad pazīst kā Planka konstante (6,626 x 10^-34 J s).

Planka formula liecina, ka melnbodies var emisēt tikai noteiktas radiācijas frekvences atkarībā no tās temperatūras un ka augstākas frekvences prasa lielākas enerģijas daudzumus. Tas izskaidro, kāpēc melnbodies nesadarbojas bezgalīgām ultravioletās radiācijas daudzumiem, jo tam būtu nepieciešamas bezgalīgas enerģijas daudzumi.

Planka ideja bija revolucionāra, jo tā iesaka, ka enerģija ir kvantificēta, nozīmējot, ka tā var pieņemt tikai diskretus vērtības, kas ir Planka konstantes daudzkārtne. Tas pretojas klāsiskajai fizikai, kas pieņēma, ka enerģija var pieņemt jebkuru vērtību.

Planka ideju papildināja Alberts Einsteins 1905. gadā, kad viņš izskaidroja citu parādību, ko klāsiskā fizika nevarēja: fotoelektriskā efekta.

Fotoelektriskais efekts ir elektronu izstarošana no metāla virsmas, kad tā tiek izpostīta ar gaismu. Pēc klāsiskās fizikas, izstarotie elektronu skaits un enerģija jāatkarīgs no gaismas intensitātes un garuma, attiecīgi.

Tomēr eksperimenti rādīja, ka tas nav taisnība: gan izstarotu elektronu skaits atkarīgs no gaismas frekvences, un ir minimālā frekvence, zemākā kura neviens elektrons netiek izstarots vispār. Izstaroto elektronu enerģija atkarīga no abām frekvences un intensitātes: augstāka frekvence nozīmē augstāku enerģiju, bet augstāka intensitāte nozīmē vairāk elektronu.

Einsteins to izskaidroja, paplašinot Planka ideju un pieņemot, ka gaiss pats ir kvantificēts pakotnēs, kas sauc par fotoniem.

Viņš iesaka, ka katrs fotons ir enerģija, kas proporcionala tās frekvencei, dota ar tādu pašu formulu kā Planks:

E = hf

Viņš arī iesaka, ka, kad fotons saduras ar metāla virsmu, tas var nodot savu enerģiju elektronam. Ja fotona enerģija ir lielāka vai vienāda ar darba funkciju metālam, kas ir minimuma enerģija, kas nepieciešama, lai izstarotu elektronu no virsmas, tad elektrons tiks izstarots ar kinētisko enerģiju, kas ir atšķirība:

KE = hf – Φ

Kur KE ir fotoelektrona kinētiskā enerģija, un Φ ir metāla darba funkcija.

Einsteina fotoelektriskā efekta izskaidrojums parādīja, ka gaiss izturas kā daļiņa, kad tā interakcija ar materiju, un tā enerģija ir kvantificēta fotoniem. Tas bija radikāla atšķirība no klāsiskās fizikas, kas uzskatīja, ka gaiss ir nepārtraukts vilnis.

Einsteina fotoelektriskā efekta teorija tika eksperimentāli apstiprināta Robertru Milikanu 1916. gadā, kurš mērīja fotoelektronu kinētisko enerģiju atkarībā no gaismas frekvences un intensitātes. Viņš atklāja, ka rezultāti sakritēja ar Einsteina prognozēm un ka bija lineāla sakarība starp kinētisko enerģiju un frekvenci, ar slīpumu, kas bija Planka konstante.

Enerģijas kvantu nozīme

Enerģijas kvantu atklājums bija liela pārmaiņa fizikā, jo tas atklāja, ka materija un enerģija nav atsevišķas entītātes, bet dažādi aspekti vienas un tās pašas realitātes. Tā arī parādīja, ka subatomārā līmenī fiziķu parādības nevar izskaidrot klāsiskā fizika, kas pieņem, ka materija un enerģija ir nepārtrauktas un determinētas.

Enerģijas kvanti ir būtiski daudziem kvantu fizikas aspektiem, piemēram, atomu struktūrai, spektra līnijām, ķīmiskajām saikām, lazeriem un kvantu tunelēšanai. Tiem ir arī daudzas praktiskas pielietojuma jomas, piemēram, materiālu zinātnē, nanotehnoloģijās, elektronikā un medicīnā.

Piemēram, enerģijas kvanti tiek izmantoti, lai izveidotu ierīces, piemēram, fotovoltaiskās cēlnes, kas pārvērš gaismu elektrībā; fotomultiplier tubes, kas pastiprina vājas gaismas signālus; un gaismas izstarojošos diodus (LED), kas izveido gaismu no elektrības. Enerģijas kvanti tiek arī izmantoti, lai mērītu īpašības, piemēram, temperatūru, spiedienu, radiāciju un magnētiskās lauki.

Enerģijas kvanti ir arī svarīgi, lai pētītu parādības, piemēram, kodolu šķīšanu un savienošanu, kas ietver masas pārveidošanu enerģijā saskaņā ar Einsteina slaveno vienādojumu:

E = mc^2

Kur E ir izlaistā vai absorbētā enerģija, m ir masas atšķirība pirms un pēc reakcijas, un c ir gaismas ātrums.

Enerģijas kvanti ir arī iesaistīti procesos, piemēram, radioaktīvās degenerācijas, kas notiek, kad nestabilais kodols izstaro daļiņas vai fotonus; un pāra veidošana, kas notiek, kad augstenerģijas fotons izveido elektrons-positronu pāri.

Secinājums

Enerģijas kvanti ir mazākie enerģijas vienības, kas var tikt pārnesti vai apmainīti fiziķu procesos. Tie ir kvantu fizikas pamatbloki, kas apraksta materijas un enerģijas uzvedību subatomārajā līmenī.

Enerģijas kvantu koncepts tika pirmo reizi piedāvāts Maksom Planckam 1900. gadā, lai izskaidrotu melnbodies radi