Energi kvant är de minsta energienheter som kan överföras eller utbytas i fysiska processer. De är byggstenarna i kvantfysik, som beskriver materiens och energins beteende på subatomnivå. Energi kvant kallas också för kvant, kvantum eller energipaket.

Kvantfysik uppstod tidigt 1900-tal som en ny gren av fysik som utmanade klassisk fysik av Newton och Maxwell. Klassisk fysik kunde inte förklara vissa fenomen, som ljusutsläpp från upphettade objekt, stabiliteten hos atomer, och de diskreta mönstren av spektrallinjer. Kvantfysik införde konceptet kvantisering, vilket innebär att vissa fysiska egenskaper endast kan anta diskreta värden, snarare än kontinuerliga.

I denna artikel kommer vi att utforska energi kvants ursprung och betydelse, samt hur de relaterar till ljus, atomer och strålning.

Klassisk fysiks misslyckande

Ett av problemen som klassisk fysik stod inför var att förklara atombildningen och -beteendet. Enligt klassisk fysik består en atom av ett positivt laddat kärnan omgivet av negativt laddade elektroner som cirkulerar runt den som planeter runt solen. Kraften som håller elektronerna i sina banor är balansen mellan Coulombkraften, som drar dem till kärnan, och centrifugalkraften, som skjuter dem bort.

Men, detta modell hade en stor brist: enligt klassisk elektromagnetisk teori, emittierar en accelererad laddad partikel elektromagnetisk strålning. Detta betyder att en cirkulerande elektron skulle förlora energi och spira in i kärnan, vilket skulle göra atomer instabila och kollapsa. Detta inträffar dock inte i verkligheten, så klassisk fysik kunde inte förklara atomernas stabilitet.

Ett annat problem som klassisk fysik stod inför var att förklara ljusutsläpp från upphettade objekt, känd som svartkroppsradiation. Enligt klassisk fysik är en svart kropp ett idealobjekt som absorberar all inkommande strålning och emitterar strålning vid alla frekvenser beroende på dess temperatur. Intensiteten av den emitterade strålningen skulle öka kontinuerligt med frekvens, enligt en formel härledd av Rayleigh och Jeans.

Dock, predikterade denna formel att en svart kropp skulle emittiera oändliga mängder energi vid höga frekvenser, vilket motsatte experimentella observationer. Denna paradox kallades ultraviolett katastrof eftersom det implicerade att en svart kropp skulle emittiera mer ultraviolett strålning än synlig ljus.

Klassisk fysik misslyckades med att förklara dessa fenomen eftersom den antog att energi kunde överföras eller utbytas i vilken mängd som helst, oberoende av dess frekvens eller våglängd. Men, denna antagande visade sig vara felaktig när kvantfysik införde konceptet energi kvant.

Upptäckten av energi kvant

Konceptet energi kvant föreslogs först av Max Planck 1900 när han studerade svartkroppsradiation. För att lösa ultraviolett katastrofen föreslog han att energi endast kan emittieras eller absorberas i diskreta paket, snarare än kontinuerligt. Han kallade dessa paket "kvant" eller "energielement", och han relaterade deras energi till deras frekvens genom en enkel formel:

E = hf

Där E är energin hos en kvant, f är dess frekvens, och h är en konstant som nu kallas Plancks konstant (6,626 x 10^-34 J s).

Plancks formel implikerade att en svart kropp endast kan emittiera vissa frekvenser av strålning beroende på dess temperatur och att högre frekvenser kräver större mängder energi. Detta förklarar varför en svart kropp inte emittierar oändliga mängder ultraviolett strålning, eftersom det skulle kräva oändliga mängder energi för att göra det.

Plancks idé var revolutionerande eftersom den föreslog att energi är kvantiserad, vilket innebär att den endast kan anta diskreta värden som är multiplar av Plancks konstant. Detta motsade klassisk fysik, som antog att energi kunde anta vilket värde som helst.

Plancks idé stöddes ytterligare av Albert Einstein 1905 när han förklarade ett annat fenomen som klassisk fysik inte kunde: fotoelektrisk effekt.

Fotoelektrisk effekt är emissionen av elektroner från en metallytan när den utsätts för ljus. Enligt klassisk fysik bör antalet och energin hos emitterade elektroner bero på intensiteten och våglängden av ljuset, respektive.

Men, experiment visade att detta inte var sant: istället berodde antalet emitterade elektroner på frekvensen av ljuset, och det fanns en minimal frekvens under vilken inga elektroner emitterades alls. Energien hos emitterade elektroner berodde både på frekvens och intensitet: högre frekvens betydde högre energi, medan högre intensitet betydde fler elektroner.

Einstein förklarade detta genom att utvidga Plancks idé och anta att ljus självt är kvantiserat till paket som kallas fotoner.

Han föreslog att varje foton har en energi proportionell till dess frekvens, givet av samma formel som Planck:

E = hf

Han föreslog också att när ett foton träffar en metallytan, kan det överföra sin energi till en elektron. Om fotons energi är större än eller lika med arbetsfunktionen för metallen, vilket är den minsta energi som krävs för att ejektera en elektron från ytan, då kommer elektronen att emitte ras med en kinetisk energi lika med skillnaden:

KE = hf – Φ

Där KE är den kinetiska energin hos fotoelektronen, och Φ är arbetsfunktionen för metallen.

Einsteins förklaring av fotoelektrisk effekt visade att ljus beter sig som en partikel när det interagerar med materia och att dess energi är kvantiserad till fotoner. Detta var en radikal avvikelse från klassisk fysik, som behandlade ljus som en kontinuerlig våg.

Einsteins teori om fotoelektrisk effekt bekräftades experimentellt av Robert Millikan 1916, som mätte den kinetiska energin hos fotoelektroner som en funktion av frekvens och intensitet av ljus. Han fann att resultaten stämde överens med Einsteins förutsägelser och att det fanns en linjär relation mellan kinetisk energi och frekvens, med en lutning lika med Plancks konstant.

Betydelsen av energi kvant

Upptäckten av energi kvant var en stor genombrott i fysik, eftersom den avslöjade att materia och energi inte är separata enheter, utan olika aspekter av samma verklighet. Den visade också att fysiska fenomen på subatomnivå inte kan förklaras av klassisk fysik, som antar att materia och energi är kontinuerliga och deterministiska.

Energi kvant är avgörande för att förstå många aspekter av kvantfysik, som atomstruktur, spektrallinjer, kemiska bindningar, laser och kvanttunneling. De har också många praktiska tillämpningar inom områden som materialvetenskap, nanoteknik, elektronik och medicin.

Till exempel används energi kvant för att skapa enheter som fotovoltaiska celler, som konverterar ljus till el; fotomultipliringsrör, som förstärker svaga ljussignaler; och ljusutsläppande dioder (LED), som producerar ljus från el. Energi kvant används också för att mäta egenskaper som temperatur, tryck, strålning och magnetfält.

Energi kvant är också viktiga för att studera fenomen som kärnfission och fusion, som involverar konvertering av massa till energi enligt Einsteins berömda ekvation:

E = mc^2

Där E är den frigjorda eller absorberade energin, m är massskillnaden innan och efter reaktionen, och c är ljushastigheten.

Energi kvant är också involverade i processer som radioaktiv nedbrytning, som inträffar när en instabil kärna emitterar partiklar eller fotoner; och parproduktion, som inträffar när ett högenergifoton skapar ett elektron-positronpar.

Slutsats

Energi kvant är de minsta enheterna av energi som kan överföras eller utbytas i fysiska processer. De är byggstenarna i kvantfysik, som beskriver materiens och energins beteende på subatomnivå.

Konceptet energi kvant föreslogs först av Max Planck 1900 för att förklara svartkroppsradiation och senare utökades av Albert Einstein 1905 för att förklara fotoelektrisk effekt. Dessa fenomen visade att energi är kvantiserad, vilket innebär att den endast kan anta diskreta värden som är multiplar av Plancks konstant.

Upptäckten av energi kvant utmanade klassisk fysik, som antog att energi kunde anta vilket värde som helst och att ljus beter sig som en kontinuerlig våg. Den avslöjade också att materia och energi inte är separata enheter, utan olika aspekter av samma verklighet.

Uttryck: Respektera originaltexten, godartade artiklar är värda att dela, om det finns intrång kontakta för bort