Energetska kvanta su najmanji jedinice energije koje se mogu prenijeti ili razmijeniti u fizičkim procesima. One su gradivni elementi kvantne fizike, koja opisuje ponašanje materije i energije na subatomskom nivou. Energetske kvante takođe se nazivaju kvante, kvantum ili paketi energije.

Kvantna fizika nastala je na početku 20. veka kao nova grana fizike koja je izazivala klasičnu fiziku Newtona i Maxwella. Klasična fizika nije mogla objasniti neka pojave, poput emisije svjetlosti iz zagrijanih objekata, stabilnosti atoma, te diskretnih uzoraka spektralnih linija. Kvantna fizika je uvela koncept kvantizacije, što znači da neki fizički svojstva mogu imati samo diskretne vrijednosti, umjesto kontinuiranih.

U ovom članku istražit ćemo podrijetlo i značaj energetskih kvanti, te kako se oni odnose na svjetlost, atome i zračenje.

Propast klasične fizike

Jedan od problema s kojima se suočavala klasična fizika bilo je objašnjavanje strukture i ponašanja atoma. Prema klasičnoj fizici, atom sastoji se od pozitivno nabijenog jezgra okruženog negativno nabijenim elektronima koji kruže oko njega kao planete oko sunca. Sila koja drži elektrone u njihovim orbitama jest ravnoteža između Coulombove sile, koja ih privlači ka jezgru, i centrifugalne sile, koja ih gurne dalje.

Međutim, ovaj model imao je veliki nedostatak: prema klasičnoj elektromagnetskoj teoriji, ubrzani nabijeni čestice emitiraju elektromagnetsko zračenje. To znači da bi trebalo da elektron u orbiti gubi energiju i spirališe se prema jezgru, što bi činilo atome nestabilnim i dovodilo do njihovog kolapsa. Ovo očito ne događa se u stvarnosti, pa klasična fizika nije mogla objasniti stabilnost atoma.

Drugi problem s kojim se suočavala klasična fizika bio je objašnjavanje emisije svjetlosti iz zagrijanih objekata, poznato kao crnobodijsko zračenje. Prema klasičnoj fizici, crno tijelo je idealni objekt koji apsorbira sve dolazeće zračenje i emitira zračenje na svim frekvencijama ovisno o svojoj temperaturi. Intenzitet emitiranog zračenja bi trebao kontinuirano rasti s frekvencijom, prema formuli koju su izveli Rayleigh i Jeans.

Međutim, ova formula predviđala je da će crno tijelo emitirati beskonačne količine energije na visokim frekvencijama, što je suprotno eksperimentalnim posmatranjima. Ovaj paradoks bio je poznat kao ultraljubičasti katastrofa jer je implicirao da bi crno tijelo emitiralo više ultraljubičastog zračenja od vidljive svjetlosti.

Klasična fizika nije uspjela objasniti ove pojave jer je pretpostavljala da se energija može prenositi ili razmjenjivati u bilo kojoj količini, bez obzira na njezinu frekvenciju ili valnu duljinu. Međutim, ova pretpostavka se ispostavila pogrešna kada je kvantna fizika uvela koncept energetskih kvanti.

Otkriće energetskih kvanti

Koncept energetskih kvanti prvi je predložio Max Planck 1900. godine kada je proučavao crnobodijsko zračenje. Da bi riješio ultraljubičasti katastrofu, predložio je da se energija može emitirati ili apsorbirati samo u diskretnim paketima, umjesto kontinuirano. Nazvao je ove pakete "kvanti" ili "energetske elemente", i povezao njihovu energiju s njihovom frekvencijom jednostavnom formulom:

E = hf

Gdje je E energija kvanta, f njegova frekvencija, a h konstanta koja se danas zove Planckova konstanta (6,626 x 10^-34 J s).

Planckova formula implicirala je da crno tijelo može emitirati samo određene frekvencije zračenja ovisno o svojoj temperaturi, i da više frekvencije zahtijevaju veće količine energije. To objašnjava zašto crno tijelo ne emitira beskonačne količine ultraljubičastog zračenja, jer bi to zahtijevalo beskonačne količine energije.

Planckova ideja bila je revolucionarna jer je sugerirala da je energija kvantizirana, što znači da može uzimati samo diskretne vrijednosti koje su višekratnici Planckove konstante. To je suprotstavljalo klasičnoj fizici, koja je pretpostavljala da može uzimati bilo koju vrijednost.

Planckova ideja još je više potvrđena Albertom Einsteinom 1905. kada je objasnio još jedan fenomen koji klasična fizika nije mogla: fotoelektrični efekt.

Fotoelektrični efekt jest emitovanje elektrona sa metaličke površine kad je izložena svjetlosti. Prema klasičnoj fizici, broj i energija emitovanih elektrona bi trebalo da zavise od intenziteta i valne dužine svjetlosti, redom.

Međutim, eksperimenti su pokazali da to nije tačno: umjesto toga, broj emitovanih elektrona zavisi od frekvencije svjetlosti, a postoji minimalna frekvencija ispod koje se ne emituju elektroni uopšte. Energija emitovanih elektrona zavisi od frekvencije i intenziteta: viša frekvencija znači višu energiju, dok viša intenzitet znači više elektrona.

Einstein je objasnio ovo proširujući Planckovu ideju i pretpostavljajući da je sama svjetlost kvantizirana u pakete zvani fotoni.

Predložio je da svaki foton ima energiju proporcionalnu svojoj frekvenciji, data istom formulom kao i kod Plancka:

E = hf

Takođe je predložio da kada foton udari metalnu površinu, može prenijeti svoju energiju elektronu. Ako je energija fotona veća ili jednaka radnoj funkciji metala, koja je minimalna energija potrebna da se electron izbacuje sa površine, tada će se electron izbaciti sa kinetičkom energijom jednako razlici:

KE = hf – Φ

Gdje je KE kinetička energija fotoelektrona, a Φ radna funkcija metala.

Einsteinovo objašnjenje fotoelektričnog efekta pokazalo je da se svjetlost ponaša kao čestica kada interagira sa materijom, i da je njegova energija kvantizirana u fotone. To je bila radikalna odstupanja od klasične fizike, koja je tretirala svjetlost kao kontinuiranu talas.

Einsteinova teorija fotoelektričnog efekta je potvrđena eksperimentalno od strane Roberta Millikana 1916. godine, koji je izmerio kinetičku energiju fotoelektrona kao funkciju frekvencije i intenziteta svjetlosti. Pronašao je da su rezultati bili u skladu s Einsteinovim predviđanjima, i da postoji linearna veza između kinetičke energije i frekvencije, sa nagibom jednakim Planckovoj konstanti.

Značaj energetskih kvanti

Otkriće energetskih kvanti bilo je veliki napredak u fizici, jer je otkrilo da materija i energija nisu odvojene entitete, već različite aspekte iste stvarnosti. Takođe je pokazalo da fizički pojave na subatomskom nivou ne mogu biti objašnjene klasičnom fizikom, koja pretpostavlja da su materija i energija kontinuirane i determinističke.

Energetske kvante su esencijalne za razumevanje mnogih aspekata kvantne fizike, kao što su atomska struktura, spektralne linije, hemijski vezovi, laserski, i kvantni tuneliranje. Takođe imaju mnogo praktičnih primena u poljima poput nauke o materijalima, nanotehnologije, elektronike i medicine.

Na primjer, energetske kvante se koriste za stvaranje uređaja kao što su fotovoltački celije, koje pretvaraju svjetlost u električnu energiju; fotomultiplicatorski cevi, koje amfificiraju slabe signale svjetlosti; i svjetlosni diodi (LED), koji proizvode svjetlost iz električne energije. Energetske kvante se takođe koriste za merenje svojstava kao što su temperatura, pritisak, zračenje i magnetno polje.

Energetske kvante su takođe važne za studiranje pojava poput nuklearne fisije i fuzije, koje uključuju pretvaranje mase u energiju prema Einsteinovoj slavnoj jednačini:

E = mc^2

Gdje je E oslobađena ili apsorbirana energija, m razlika mase prije i nakon reakcije, a c brzina svjetlosti.

Energetske kvante su takođe uključene u procese poput radioaktivnog rasipa, koji se dešava kada nestabilno jezgro emituje čestice ili fotone; i parna proizvodnja, koja se dešava kada visokoenergetski foton stvara elektron-positron par.

Zaključak

Energetske kvante su najmanje jedinice energije koje se mogu prenijeti ili razmjeniti u fizičkim procesima. One su gradivni elementi kvantne fizike, koja opisuje ponašanje materije i energije na subatomskom nivou.

Koncept energetskih kvanti prvi je predložio Max Planck 1900. godine da bi objasnio crnobodijsko zračenje, a kasnije ga je proširio Albert Einstein 1905. godine