ऊर्जा क्वान्टा भौतिक प्रक्रियाहरूमा स्थानान्तरण वा आदान-प्रदान गर्न सकिने सबैभन्दा सानो ऊर्जाको एकाइहरू हुन्। यी क्वान्टम भौतिकीका निर्माण खण्डहरू हुन्, जसले परमाणुभन्दा सानो स्तरमा पदार्थ र ऊर्जाको व्यवहारलाई वर्णन गर्दछ। ऊर्जा क्वान्टालाई क्वान्टा, क्वान्टम, वा ऊर्जा प्याकेटको रूपमा पनि चिनिन्छ।

क्वान्टम भौतिकी २०औँ शताब्दीको सुरुआतमा न्यूटन र म्याक्सवेलको शास्त्रीय भौतिकीलाई चुनौती दिने भौतिकीको एक नयाँ शाखाको रूपमा उब्जियो। शास्त्रीय भौतिकीले केही घटनाहरू जस्तै तातो वस्तुहरूबाट प्रकाशको उत्सर्जन, परमाणुहरूको स्थिरता, र स्पेक्ट्रल रेखाहरूको अलग-अलग प्रतिरूपहरू व्याख्या गर्न सकेन। क्वान्टम भौतिकीले क्वान्टाइजेसनको अवधारणा प्रस्तुत गर्यो, जसको अर्थ केही भौतिक गुणहरू केवल अखण्ड मानहरू लिन सक्छन्, निरन्तर मानहरू भन्दा फरक।

यस लेखमा, हामी ऊर्जा क्वान्टाको उत्पत्ति र महत्त्वको बारेमा छलफल गर्नेछौं, र तिनीहरू प्रकाश, परमाणु, र विकिरणसँग कसरी सम्बन्धित छन्।

शास्त्रीय भौतिकीको असफलता

शास्त्रीय भौतिकीले सामना गरेको समस्याहरू मध्ये एक परमाणुहरूको संरचना र व्यवहार व्याख्या गर्नु थियो। शास्त्रीय भौतिकीको अनुसार, एउटा परमाणु सकारात्मक आवेशित नाभिकबाट बनेको हुन्छ जसलाई नकारात्मक आवेशित इलेक्ट्रोनहरूले सूर्यको चारैतिर ग्रहहरूको जस्तै कक्षामा घुम्दछन्। इलेक्ट्रोनहरूलाई उनीहरूको कक्षामा राख्ने बल नाभिकतिर तिनीहरूलाई आकर्षित गर्ने कुलम्ब बल र तिनीहरूलाई टाढा धकेल्ने केन्द्रापसारी बलबीचको सन्तुलन हो।

तर, यो मोडलमा ठूलो कमी थियो: शास्त्रीय वैद्युत चुम्बकीय सिद्धान्तको अनुसार, त्वरित आवेशित कणले वैद्युत चुम्बकीय विकिरण उत्सर्जन गर्दछ। यसको अर्थ एउटा कक्षामा घुम्ने इलेक्ट्रोनले ऊर्जा गुमाउनु पर्छ र नाभिकतिर सर्पिलाकार रूपमा झर्नुपर्छ, जसले परमाणुहरू अस्थिर बनाउनेछ र ढल्नेछ। यो वास्तविकतामा स्पष्ट रूपमा हुँदैन, त्यसैले शास्त्रीय भौतिकीले परमाणुहरूको स्थिरताको व्याख्या गर्न सकेन।

शास्त्रीय भौतिकीले सामना गरेको अर्को समस्या तातो वस्तुहरूबाट प्रकाशको उत्सर्जन, जसलाई कालो-शरीर विकिरण भनिन्छ, व्याख्या गर्नु थियो। शास्त्रीय भौतिकीको अनुसार, कालो शरीर एउटा आदर्श वस्तु हो जसले आउने सबै विकिरणलाई अवशोषण गर्दछ र आफ्नो तापक्रमको आधारमा सबै आवृत्तिमा विकिरण उत्सर्जन गर्दछ। उत्सर्जित विकिरणको तीव्रता रेली र जिन्सद्वारा व्युत्पन्न एक सूत्रको अनुसार आवृत्तिको साथ निरन्तर बढ्नुपर्छ।

तर, यो सूत्रले उच्च आवृत्तिमा कालो शरीरले अनन्त ऊर्जाको उत्सर्जन गर्नेछ भन्ने भविष्यवाणी गर्यो, जुन प्रायोगिक अवलोकनसँग विरोधाभास थियो। यो विरोधाभासलाई पराबैंगनी आपदा भनिन्थ्यो किनभने यसले सुझाव दिन्छ कि कालो शरीरले दृश्य प्रकाशभन्दा बढी पराबैंगनी विकिरण उत्सर्जन गर्नेछ।

ऊर्जालाई आवृत्ति वा तरंगदैर्ध्यको पर्वाह गर्ने बिना कुनै पनि परिमाणमा स्थानान्तरण वा आदान-प्रदान गर्न सकिन्छ भन्ने धारणा राखेकोले शास्त्रीय भौतिकीले यी घटनाहरूलाई व्याख्या गर्न असफल भयो। तर, क्वान्टम भौतिकीले ऊर्जा क्वान्टाको अवधारणा प्रस्तुत गरेपछि यो धारणा गलत साबित भयो।

ऊर्जा क्वान्टाको खोज

ऊर्जा क्वान्टा की अवधारणा सर्वप्रथम १९०० में मैक्स प्लङ्क द्वारा प्रस्तुत की गई थी जब उन्होंने कालो शरीर की विकिरण का अध्ययन किया था। अल्ट्रावायलेट आपदा को हल करने के लिए, उन्होंने प्रस्ताव दिया कि ऊर्जा केवल विच्छिन्न पैकेटों में, निरंतर नहीं, उत्सर्जित या अवशोषित हो सकती है। उन्होंने इन पैकेटों को "क्वान्टा" या "ऊर्जा तत्व" कहा, और उनकी ऊर्जा को उनकी आवृत्ति से एक सरल सूत्र द्वारा संबद्ध किया:

E = hf

जहाँ E क्वान्टा की ऊर्जा है, f उसकी आवृत्ति है, और h एक स्थिरांक है जो अब प्लङ्क का स्थिरांक (6.626 x 10^-34 J s) के रूप में जाना जाता है।

प्लङ्क का सूत्र इंगित करता है कि एक काला शरीर केवल अपने तापमान पर निर्भर कुछ विशिष्ट आवृत्तियों की विकिरण उत्सर्जित कर सकता है और उच्च आवृत्तियों के लिए अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है। यह बताता है कि एक काला शरीर अपरिमित राशि में अल्ट्रावायलेट विकिरण नहीं उत्सर्जित कर सकता, क्योंकि इसके लिए अपरिमित ऊर्जा की आवश्यकता होगी।

प्लङ्क की विचार विपरीत था क्योंकि यह इंगित करता था कि ऊर्जा क्वान्टाइज्ड है, अर्थात यह केवल प्लङ्क के स्थिरांक के गुणांक के रूप में विच्छिन्न मान ले सकती है। यह विश्लेषिक भौतिकी के विपरीत था, जो मानता था कि ऊर्जा किसी भी मान ले सकती है।

प्लङ्क की विचार १९०५ में अल्बर्ट आइन्स्टीन द्वारा और भी समर्थित किया गया जब उन्होंने एक अन्य घटना की व्याख्या की, जिसे विश्लेषिक भौतिकी नहीं कर सकती थी: फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव।

फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव उस घटना को कहा जाता है जब प्रकाश के संपर्क में आने पर धातु की सतह से इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित होते हैं। विश्लेषिक भौतिकी के अनुसार, उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों की संख्या और ऊर्जा क्रमशः प्रकाश की तीव्रता और तरंगदैर्ध्य पर निर्भर करती है।

हालांकि, प्रयोग यह दिखाते थे कि यह सच नहीं था: बल्कि, उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों की संख्या प्रकाश की आवृत्ति पर निर्भर करती थी, और एक न्यूनतम आवृत्ति के नीचे जिसके नीचे कोई इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित नहीं होते थे। उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा दोनों आवृत्ति और तीव्रता पर निर्भर करती थी: उच्च आवृत्ति उच्च ऊर्जा का अर्थ था, जबकि उच्च तीव्रता अधिक इलेक्ट्रॉनों का अर्थ था।

आइन्स्टीन ने प्लङ्क की विचार को विस्तारित करके और यह मानते हुए कि प्रकाश स्वयं क्वान्टाइज्ड है, फोटॉन के रूप में पैकेट में विभाजित होता है, इसे समझाया।

उन्होंने प्रस्ताव दिया कि प्रत्येक फोटॉन की ऊर्जा उसकी आवृत्ति के अनुपात में होती है, जो प्लङ्क के समान सूत्र द्वारा दिया गया है:

E = hf

उन्होंने भी प्रस्ताव दिया कि जब एक फोटॉन धातु की सतह पर प्रहार करता है, तो वह अपनी ऊर्जा को एक इलेक्ट्रॉन को स्थानांतरित कर सकता है। यदि फोटॉन की ऊर्जा धातु के कार्य फंक्शन के बराबर या उससे अधिक हो, जो सतह से एक इलेक्ट्रॉन को बाहर निकालने के लिए आवश्यक न्यूनतम ऊर्जा है, तो इलेक्ट्रॉन निम्नलिखित अंतर के बराबर गतिज ऊर्जा के साथ उत्सर्जित होगा:

KE = hf – Φ

जहाँ KE फोटोइलेक्ट्रॉन की गतिज ऊर्जा है, और Φ धातु का कार्य फंक्शन है।

आइन्स्टीन का फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव का व्याख्यान यह दिखाता था कि प्रकाश जब यह पदार्थ के साथ प्रतिक्रिया करता है, तो यह एक कण की तरह व्यवहार करता है और इसकी ऊर्जा फोटॉनों में क्वान्टाइज्ड होती है। यह विश्लेषिक भौतिकी से एक राडिकल विचलन था, जो प्रकाश को एक निरंतर तरंग के रूप में देखता था।

आइन्स्टीन का फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव का सिद्धांत १९१६ में रॉबर्ट मिलिकन द्वारा प्रयोगशाला में पुष्टि की गई, जिन्होंने प्रकाश की तीव्रता और आवृत्ति के फलन के रूप में फोटोइलेक्ट्रॉनों की गतिज ऊर्जा को मापा। उन्होंने पाया कि परिणाम आइन्स्टीन की भविष्यवाणियों के साथ सहमत थे और गतिज ऊर्जा और आवृत्ति के बीच एक रैखिक संबंध था, जिसका ढाल प्लङ्क के स्थिरांक के बराबर था।

ऊर्जा क्वान्टा का महत्व

ऊर्जा क्वान्टा की खोज भौतिकी में एक प्रमुख प्रगति थी, क्योंकि यह दिखाता है कि पदार्थ और ऊर्जा अलग-अलग वस्तुएं नहीं हैं, बल्कि एक ही वास्तविकता के अलग-अलग पहलू हैं। यह भी दिखाता है कि उपपरमाणु स्तर पर भौतिक घटनाओं को क्लासिक भौतिकी द्वारा समझाया नहीं जा सकता, जो मानती है कि पदार्थ और ऊर्जा निरंतर और निश्चित हैं।

ऊर्जा क्वान्टा क्वांटम भौतिकी के कई पहलुओं को समझने के लिए आवश्यक हैं, जैसे परमाणु संरचना, वर्णक्रम रेखाएँ, रासायनिक बंध, लेजर, और क्वांटम टनलिंग। इनका अनेक व्यावहारिक अनुप्रयोग भी हैं, जैसे सामग्री विज्ञान, नैनोटेक्नोलोजी, इलेक्ट्रोनिक्स, और चिकित्सा में।

उदाहरण के लिए, ऊर्जा क्वान्टा ऐसे उपकरणों को बनाने के लिए उपयोग किए जाते हैं जैसे फोटोवोल्टेलिक सेल, जो प्रकाश को विद्युत में परिवर्तित करते हैं; फोटोमल्टीप्लायर ट्यूब, जो प्रकाश के कमजोर संकेतों को बढ़ाते हैं; और प्रकाश उत्सर्जक डायोड (LED), जो विद्युत से प्रकाश उत्पन्न करते हैं। ऊर्जा क्वान्टा गुणों को मापने के लिए भी उपयोग किए जाते हैं, जैसे तापमान, दबाव, विकिरण, और चुंबकीय क्षेत्र।

ऊर्जा क्वान्टा नाभिकीय विभाजन और संयोजन जैसी घटनाओं का अध्ययन करने के लिए भी महत्वपूर्ण हैं, जिनमें द्रव्य को ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है आइंस्टीन के प्रसिद्ध समीकरण के अनुसार:

E = mc^2

जहाँ E उत्सर्जित या अवशोषित ऊर्जा है, m अभिक्रिया से पहले और बाद के द्रव्य का अंतर है, और c प्रकाश की गति है।

ऊर्जा क्वान्टा रेडियोएक्टिव विकिरण जैसी प्रक्रियाओं में भी शामिल होते हैं, जो तब होता है जब एक अस्थिर नाभिक कण या फोटॉन उत्सर्जित करता है; और जोड़ा उत्पादन, जो तब होता है जब एक उच्च ऊर्जा वाला फोटॉन इलेक्ट्रॉन-पोजिट्रॉन जोड़ा उत्पन्न करता है।

निष्कर्ष

ऊर्जा क्वान्टा भौतिक प्रक्रियाओं में स्थानांतरित या विनिमय किए जाने वाले ऊर्जा की सबसे छोटी इकाई हैं। ये क्वांटम भौतिकी के निर्माण तत्व हैं, जो उपपरमाणु स्तर पर पदार्थ और ऊर्जा के व्यवहार का वर्णन करते हैं।

ऊर्जा क्वान्टा की अवधारणा सर्वप्रथम 1900 में मैक्स प्लांक द्वारा काले शरीर की विकिरण की व्याख्या के लिए प्रस्तावित की गई थी और बाद में 1905 में अल्बर्ट आइंस्टीन द्वारा फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव की व्याख्या के लिए विस्तारित की गई थी। ये घटनाएं दिखाती हैं कि ऊर्जा क्वांटाइज्ड है, अर्थात यह केवल प्लांक के स्थिरांक के गुणज के रूप में ली जा सकती है।

ऊर्जा क्वान्टमको आविष्कारले यसको मानलाई कुनै पनि मानहरू हुन सक्छन् भन्ने अधिकार दिएको र प्रकाशलाई निरन्तर तरंगको रूपमा व्यवहार गरिने व्यवसायिक भौतिकीलाई चुनौती दिएको थियो। यसले यसको प्रकट गरेको थियो कि बाटो र ऊर्जा एकै वास्तविकताका विभिन्न पक्षहरू हुन्, उनीहरू अलग अस्तित्वहरू छैन।

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