Energetska kvanta so najmanjša enote energije, ki se lahko prenašajo ali izmenjujejo v fizikalnih procesih. So gradniki kvantne fizike, ki opisujejo obnašanje snovi in energije na subatomske ravni. Energetske kvante imenujemo tudi kvanti, kvantumi ali paketi energije.

Kvantna fizika je nastala na začetku 20. stoletja kot nova veja fizike, ki je izzivala klasično fiziko Newtona in Maxwella. Klasična fizika ni mogla razložiti nekaterih pojavov, kot je emisija svetlobe iz segretnih teles, stabilnost atomov in diskretne vzorce spektralnih črt. Kvantna fizika je vpeljala koncept kvantizacije, kar pomeni, da nekatere fizikalne lastnosti lahko zavzamejo le diskretne vrednosti, namesto zvezne.

V tem članku bomo raziskovali izvor in pomen energetskih kvantov ter kako se ti nanašajo na svetlobo, atome in radiacijo.

Propad klasične fizike

Eno od problemov, s katerimi se je soočala klasična fizika, je bilo razloževanje strukture in obnašanja atomov. Po klasični fiziki se atom sestavlja iz pozitivno nabitega jedra, okoli katerega se giblje negativno nabiti elektroni, podobno planetom okoli Sonca. Sila, ki elektrone drži v njihovih orbitah, je ravnovesje med Coulombovo silo, ki jih privablja k jedru, in centrifugalno silo, ki jih odvija.

Toda ta model je imel velik napak: po klasični elektromagnetski teoriji emitira elektromagnetno radiacijo pospešeno nabito delce. To pomeni, da bi se orbitirajoči elektron izgubil energijo in spiriralno padel v jedro, kar bi atomske strukture naredilo nestabilne in jih spravilo v kolaps. To pa se v resnici ne zgodi, zato klasična fizika ne more razložiti stabilnosti atomov.

Drugi problem, s katerim se je soočala klasična fizika, je bil razloževanje emisije svetlobe iz segretnih teles, znanih kot crno telo. Po klasični fiziki je crno telo idealno telo, ki absorbuje vse prihajajoče radiacije in emitira radiacijo na vse frekvence, odvisno od temperature. Intenziteta emitirane radiacije bi se morala zvezno povečevati z frekvenco, glede na formulo, ki jo sta izpelavala Rayleigh in Jeans.

Toda ta formula je napovedovala, da bi crno telo emitiralo neskončne količine energije pri visokih frekvencah, kar je nasprotovalo eksperimentalnim opazovanjem. Ta paradoks se je imenal ultravijolična katastrofa, ker je predvideval, da bi crno telo emitiralo več ultravijolične radiacije kot vidne svetlobe.

Klasična fizika ni mogla razložiti teh pojavov, ker je predpostavljala, da se lahko energija prenaša ali izmenjuje v poljubnih količinah, ne glede na frekvenco ali valovno dolžino. Toda ta predpostavka se je izkazala za napačno, ko je kvantna fizika vpeljala koncept energetskih kvantov.

Odkritje energetskih kvantov

Koncept energetskih kvantov je prvič predlagal Max Planck leta 1900, ko je raziskoval crno telo. Da bi rešil ultravijolično katastrofo, je predlagal, da se energija lahko emitira ali absorbira samo v diskretnih paketih, namesto zvezno. Ti paketi so jim dal ime "kvanti" ali "elementi energije", in povezal njihovo energijo z njihovo frekvenco s preprosto formulo:

E = hf

Kjer je E energija kvanta, f njegova frekvenca, in h konstanta, ki je danes znana kot Planckova konstanta (6,626 x 10^-34 J s).

Planckova formula je predvidela, da crno telo lahko emitira le določene frekvence radiacije, odvisno od temperature, in da višje frekvence zahtevajo večjo količino energije. To razloži, zakaj crno telo ne emitira neskončnih količin ultravijolične radiacije, ker bi to zahtevalo neskončno količino energije.

Planckova ideja je bila revolucionarna, ker je predlagala, da je energija kvantizirana, kar pomeni, da lahko zavzame le diskretne vrednosti, ki so večkratniki Planckove konstante. To je nasprotovalo klasični fiziki, ki je predpostavljala, da lahko energija zavzame poljubne vrednosti.

Planckova ideja je bila še bolj podprta s strani Alberta Einsteina leta 1905, ko je razložil drug fenomen, ki ga klasična fizika ni mogla: fotoelektrični učinek.

Fotoelektrični učinek je emitiranje elektronov s površine kovinka, ko je ta izpostavljen svetlobi. Po klasični fiziki bi morala število in energija emitiranih elektronov odvisna biti od intenzitete in valovne dolžine svetlobe, respectivno.

Toda poskusi so pokazali, da to ni res: namesto tega je število emitiranih elektronov odvisno od frekvence svetlobe, in obstaja minimalna frekvenca, pod katero sploh nobeni elektroni niso emitirani. Energija emitiranih elektronov je odvisna od obeh parametrov: višja frekvenca pomeni višjo energijo, medtem ko višja intenziteta pomeni več elektronov.

Einstein je to razložil z razširitvijo Planckove ideje in predpostavko, da je sama svetloba kvantizirana v pakete, imenovane fotoni.

Predlagal je, da ima vsak foton energijo sorazmerno s svojo frekvenco, podano z isto formulo kot Planck:

E = hf

Prav tako je predlagal, da, ko foton pride v stik s površino kovinka, lahko svojo energijo prenese na elektron. Če je fotonova energija večja ali enaka delovni funkciji kovinka, ki je minimalna energija, potrebna za izgon elektrona s površine, bo elektron emitiran z kinetično energijo, enako razliki:

KE = hf – Φ

Kjer je KE kinetična energija fotoelektrona, in Φ delovna funkcija kovinka.

Einsteinova razlaga fotoelektričnega učinka je pokazala, da se svetloba ob interakciji z snovjo obnaša kot delce in da je njena energija kvantizirana v fotone. To je bila radikalna odstopanica od klasične fizike, ki je obravnavala svetlobo kot zvezno valovanje.

Einsteinova teorija fotoelektričnega učinka je bila leta 1916 eksperimentalno potrjena s strani Roberta Millikana, ki je izmeril kinetično energijo fotoelektronov kot funkcijo frekvence in intenzitete svetlobe. Ugotovil je, da so rezultati ujemali s Einsteinovimi predvidenji in da je obstajala linearna povezava med kinetično energijo in frekvenco, s naklonom, enakim Planckovi konstanti.

Pomen energetskih kvantov

Odkritje energetskih kvantov je bilo velik dosežek v fiziki, saj je razkrilo, da snov in energija nista ločena entiteta, ampak različni aspekti iste resnice. Prav tako je pokazalo, da fizikalni pojavi na subatomske ravni ne morejo biti razloženi z klasično fiziko, ki predpostavlja, da so snov in energija zvezne in deterministične.

Energetske kvante so bistveni za razumevanje mnogih aspektov kvantne fizike, kot so atomska struktura, spektralne črte, kemijske veze, laseri in kvantno tuneliranje. Imajo tudi mnoge praktične uporabe v panogah, kot so materialna znanost, nanotehnologija, elektronika in medicina.

Na primer, energetske kvante se uporabljajo za ustvarjanje naprav, kot so fotovoltaične celice, ki pretvarjajo svetlobo v električno energijo; fotomultiplikatorji, ki amplificirajo šibke signale svetlobe; in svetlobno emitirajoči diodi (LED), ki proizvajajo svetlobo iz električne energije. Energetske kvante se uporabljajo tudi za merjenje lastnosti, kot so temperatura, tlak, radiacija in magnetno polje.

Energetske kvante so pomembne tudi za raziskovanje pojavov, kot so jedrska štapi in fuzija, ki vključujeta pretvorbo mase v energijo po slavnemu Einsteinovemu enačaju:

E = mc^2

Kjer je E energija, ki se odpusti ali absorbuje, m je razlika mase pred in po reakciji, in c je hitrost svetlobe.

Energetske kvante so vpleteni tudi v procese, kot je radioaktivni razpad, ki se zgodi, ko nestabilno jedro emitira delce ali fotone, in tvorba parov, ki se zgodi, ko visokoenergijski foton ustvari par elektron-pozitron.

Zaključek

Energetske kvante so najmanjše enote energije, ki se lahko prenašajo ali izmenjujejo v fizikalnih procesih. So gradniki kvantne fizike, ki opisujejo obnašanje snovi in energije na subatomske ravni.

Koncept energetskih kvantov je prvič predlagal Max Planck leta 1900, da bi razložil crno telo, in kasneje ga je razširil Albert Einstein leta 1905, da bi razložil fotoelektrični učinek. Ti pojavi so pokazali, da je energija kvantizirana, kar pomeni, da lahko zavzame le diskretne vrednosti, ki so večkratniki Planckove konstante.