Енергетските кванти се најмали единици на енергија кои можат да се пренесуваат или разменуваат во физички процеси. Тие се основниот дел на квантната физика, која го опишува понашанието на материјата и енергијата на субатомски ниво. Енергетските кванти исто така се познати како кванти, квант или пакети со енергија.

Квантната физика се појави во раната 20-та век како нова гранка на физиката што предизвика класичната физика на Њутн и Максвел. Класичната физика не можеше да ја објасни неколку феномени, како испуштањето на светлина од загрети предмети, стабилноста на атоми, и дискретните образци на спектрални линии. Квантната физика воведе концептот на квантација, што значи дека некои физички својства можат само да земат дискретни вредности, а не непрекинати.

Во овој чланок ќе истражуваме потеклото и значењето на енергетските кванти, и како се односят на светлина, атоми и радијација.

Поразот на Класичната Физика

Еден од проблемите со кои се соочуваше класичната физика беше објаснувањето на структурата и понашанието на атомите. Според класичната физика, атомот се состои од позитивно напет јадро заобиколено со негативно напети електрони кои го орбитираат околу него како планети околу сонцето. Силата што ги држи електроните во нивните орбити е балансот помеѓу Кулоновата сила, која ги привлекува кон јадрото, и центрифугалната сила, која ги отфрлува.

Од друга страна, овој модел имаше голем недостаток: според класичната електромагнетна теорија, зареден частица што се забрзува испушта електромагнетна радијација. Ова значи дека електронот кој орбитира би требало да губи енергија и да се спушта во јадрото, што би направило атомите нестабилни и да се распаѓаат. Ова очигледно не се случува во реалноста, па затоа класичната физика не можеше да објасни стабилноста на атомите.

Друг проблем со кој се соочуваше класичната физика беше објаснувањето на испуштањето на светлина од загрети предмети, познато како черна телесна радијација. Според класичната физика, црно тело е идеален предмет кој ги апсорбира сите входни радијации и испушта радијации на сите фреквенции во зависност од неговата температура. Интензитетот на испуштената радијација треба да се зголемува непрекинато со фреквенцијата, според формула изведена од Рејли и Џинс.

Од друга страна, оваа формула предвидуваше дека црното тело би испуштало бесконечни количества енергија на високи фреквенции, што противречи експерименталните набљудувања. Овој парадокс беше познат како ултравиолетова катастрофа, бидејќи подразумеваше дека црното тело би испуштало повеќе ултравиолетова радијација од видливата светлина.

Класичната физика не можеше да ги објасни овие феномени бидејќи претпоставуваше дека енергијата може да се пренесува или разменува во било којо количество, независно од неговата фреквенција или таласна должина. Меѓутоа, оваа претпоставка се исказа како неточна кога квантната физика воведе концептот на енергетски кванти.

Откривањето на Енергетски Кванти

Концептот на енергетски кванти првпат беше предложен од Макс Планк во 1900 година, кога студирал черна телесна радијација. За да реши ултравиолетовата катастрофа, тој предложи дека енергијата може да се испушта или апсорбира само во дискретни пакети, а не непрекинато. Тој ги нарече овие пакети „кванти“ или „енергетски елементи“, и ги поврзал нивната енергија со нивната фреквенција со едноставна формула:

E = hf

Каде E е енергијата на квант, f е неговата фреквенција, а h е константа која сега е позната како Планковата константа (6.626 x 10^-34 J s).

Формулата на Планк подразумеваше дека црното тело може да испушта само одредени фреквенции на радијација во зависност од неговата температура, и дека повисоките фреквенции бараат повисоки количества енергија. Ова го објаснува зашто црното тело не испушта бесконечни количества ултравиолетова радијација, бидејќи би требало бесконечни количества енергија за тоа.

Идејата на Планк беше револуционарна бидејќи предложи дека енергијата е квантнувална, што значи дека може да земе само дискретни вредности што се множители на Планковата константа. Ова противречи класичната физика, која претпоставуваше дека енергијата може да земе било која вредност.

Идејата на Планк беше дополнително поддржана од Альберт Ајнштајн во 1905 година, кога го објаснил друг феномен кој класичната физика не можеше: фотоелектричниот ефект.

Фотоелектричниот ефект е испуштањето на електрони од метална површина кога таа е изложена на светлина. Според класичната физика, бројот и енергијата на испуштените електрони треба да зависат од интензитетот и таласната должина на светлината, соодветно.

Меѓутоа, експериментите покажаа дека ова не е точно: наместо тоа, бројот на испуштени електрони зависеше од фреквенцијата на светлината, и постоела минимална фреквенција под која не се испуштале електрони воопшто. Енергијата на испуштените електрони зависеше од и фреквенцијата и интензитетот: повисока фреквенција значеше повисока енергија, додека повисок интензитет значеше повеќе електрони.

Ајнштајн го објаснил ова со проширнување на идејата на Планк и претпоставувајќи дека самата светлина е квантнувална во пакети наречени фотони.

Тој предложи дека секој фотон има енергија пропорционална со неговата фреквенција, дадена со истата формула како и Планк:

E = hf

Тој исто така предложи дека кога фотон ударува во метална површина, може да пренесе својата енергија на електрон. Ако енергијата на фотонот е поголема или еднаква на работната функција на металот, која е минималната енергија потребна за излегување на електрон од површината, тогаш електронот ќе биде испуштен со кинетичка енергија еднаква на разликата:

KE = hf – Φ

Каде KE е кинетичката енергија на фотоелектронот, а Φ е работната функција на металот.

Објаснувањето на Ајнштајн на фотоелектричниот ефект покажа дека светлината се однесува како честичка кога интерагира со материјата, и дека неговата енергија е квантнувална во фотони. Ова беше радикален одлук од класичната физика, која третирала светлината како непрекинат талас.

Теоријата на Ајнштајн за фотоелектричниот ефект беше потврдена експериментално од Роберт Милликан во 1916 година, кој измерил кинетичката енергија на фотоелектроните како функција од фреквенцијата и интензитетот на светлината. Тој открил дека резултатите се согласуваат со предвидувањата на Ајнштајн и дека постоела линеарна врска помеѓу кинетичката енергија и фреквенцијата, со нагиб еднаков на Планковата константа.

Значењето на Енергетски Кванти

Откривањето на енергетски кванти беше голем променлив момент во физиката, бидејќи открило дека материјата и енергијата не се одделни ентитети, туку различни аспекти на истата реалност. Тоа исто така покажа дека физичките феномени на субатомско ниво не можат да се објаснат со класичната физика, која претпоставува дека материјата и енергијата се непрекинати и детерминистички.

Енергетските кванти се важни за разбирањето на многу аспекти на квантната физика, како што се атомската структура, спектрални линии, хемиски врски, лазери и квантно тунелирање. Тие исто така имаат многу практични применувања во полиња како што се науката за материјалите, нанотехнологијата, електрониката и медицината.

На пример, енергетските кванти се користат за создавање на уреди како што се фотovoltaički celli, кои го конвертираат светлината во електричество; фотомултипликаторски труби, кои ги амплифицираат слабите сигнали од светлина; и светлосни диоди (LED), кои генерираат светлина од електричество. Енергетските кванти исто така се користат за мерење на својства како што се температура, притисок, радијација и магнетно поле.

Енергетските кванти се исто така важни за проучување на феномени како што се нуклеарна фисија и фузија, кои вклучуваат конверзија на маса во енергија според известната равенка на Ајнштајн:

E = mc^2

Каде E е енергијата која се освободува или апсорбира, m е разликата во масата пред и после реакцијата, а c е брзината на светлината.

Енергетските кванти исто така учествуваат во процеси како што се радиоактивно распадување, кој се случува кога нестабилно јадро испушта честички или фотони; и парна производство, кој се случува кога високоенергетски фотон креира електрон-позитрон пар.

Поддршка