ควอนตัมพลังงานเป็นหน่วยพลังงานที่เล็กที่สุดหน่วยพลังงานที่สามารถถูกโอนหรือแลกเปลี่ยนได้ในกระบวนการทางกายภาพ พวกมันเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของฟิสิกส์ควอนตัม ซึ่งอธิบายพฤติกรรมของสารและพลังงานในระดับอะตอม ควอนตัมพลังงานยังรู้จักกันในชื่อควอนตัม ควอนตัมพลังงาน หรือแพ็คเก็ตพลังงาน

ฟิสิกส์ควอนตัมปรากฏขึ้นในต้นศตวรรษที่ 20 เป็นสาขาใหม่ของฟิสิกส์ที่ท้าทายฟิสิกส์คลาสสิกของนิวตันและแม็กซ์เวลล์ ฟิสิกส์คลาสสิกไม่สามารถอธิบายบางปรากฏการณ์ เช่น การปล่อยแสงจากวัตถุที่ถูกทำให้ร้อน ความมั่นคงของอะตอม และรูปแบบที่แยกออกของเส้นสเปกตรัม ฟิสิกส์ควอนตัมแนะนำแนวคิดของการปริมาณ ซึ่งหมายความว่าคุณสมบัติทางกายภาพบางอย่างสามารถมีค่าเฉพาะเท่านั้น แทนที่จะเป็นค่าต่อเนื่อง

ในบทความนี้ เราจะสำรวจแหล่งกำเนิดและความสำคัญของควอนตัมพลังงาน และวิธีที่พวกมันเกี่ยวข้องกับแสง อะตอม และรังสี

ความล้มเหลวของฟิสิกส์คลาสสิก

หนึ่งในปัญหาที่ฟิสิกส์คลาสสิกเผชิญคือการอธิบายโครงสร้างและพฤติกรรมของอะตอม ตามฟิสิกส์คลาสสิก อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีประจุบวกโดยรอบด้วยอิเล็กตรอนที่มีประจุลบโคจรรอบๆ มันเหมือนกับดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ แรงที่ทำให้อิเล็กตรอนอยู่ในวงโคจรคือความสมดุลระหว่างแรงคูลอมบ์ ซึ่งดึงดูดพวกมันไปยังนิวเคลียส และแรงเหวี่ยงที่ผลักพวกมันออกไป

อย่างไรก็ตาม โมเดลนี้มีข้อผิดพลาดใหญ่: ตามฟิสิกส์คลาสสิกทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่ออิเล็กตรอนที่มีประจุเร่งความเร็วจะปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า นั่นหมายความว่าอิเล็กตรอนที่โคจรควรสูญเสียพลังงานและหมุนเข้าไปยังนิวเคลียส ซึ่งจะทำให้อะตอมไม่มั่นคงและล่มสลาย แต่ในความเป็นจริง ฟิสิกส์คลาสสิกไม่สามารถอธิบายความมั่นคงของอะตอมได้

ปัญหาอีกข้อหนึ่งที่ฟิสิกส์คลาสสิกเผชิญคือการอธิบายการปล่อยแสงจากวัตถุที่ถูกทำให้ร้อน ซึ่งรู้จักกันในชื่อรังสีของวัตถุดำ ตามฟิสิกส์คลาสสิก วัตถุดำคือวัตถุที่ดูดซับรังสีที่เข้ามาทั้งหมดและปล่อยรังสีที่ความถี่ต่างๆ ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของมัน ความเข้มของรังสีที่ปล่อยออกมาควรเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องตามความถี่ ตามสูตรที่ได้มาจากเรย์เลย์และเจนส์

อย่างไรก็ตาม สูตรนี้ทำนายว่าวัตถุดำจะปล่อยพลังงานในปริมาณไม่จำกัดที่ความถี่สูง ซึ่งขัดแย้งกับการสังเกตทดลอง ภาวะนี้เรียกว่าภาวะภัยพิบัติอัลตราไวโอเลต เนื่องจากมันแสดงว่าวัตถุดำจะปล่อยรังสีอัลตราไวโอเลตมากกว่ารังสีที่มองเห็นได้

ฟิสิกส์คลาสสิกไม่สามารถอธิบายปรากฏการณ์เหล่านี้ได้ เพราะมันสมมติว่าพลังงานสามารถถูกโอนหรือแลกเปลี่ยนได้ในปริมาณใดๆ โดยไม่คำนึงถึงความถี่หรือความยาวคลื่น อย่างไรก็ตาม การสมมตินี้ผิดพลาดเมื่อฟิสิกส์ควอนตัมแนะนำแนวคิดของควอนตัมพลังงาน

การค้นพบควอนตัมพลังงาน

แนวคิดของควอนตัมพลังงานถูกเสนอครั้งแรกโดยแมกซ์ พลังค์ในปี 1900 เมื่อเขาทำการศึกษาเกี่ยวกับรังสีของวัตถุดำ เพื่อแก้ไขภาวะภัยพิบัติอัลตราไวโอเลต เขาเสนอว่าพลังงานสามารถปล่อยหรือดูดซับได้ในแพ็คเก็ตที่แยกออกจากกัน แทนที่จะเป็นต่อเนื่อง เขาเรียกแพ็คเก็ตเหล่านี้ว่า "ควอนตัม" หรือ "องค์ประกอบพลังงาน" และเขาเชื่อมโยงพลังงานของพวกมันกับความถี่โดยใช้สูตรง่ายๆ:

E = hf

เมื่อ E คือพลังงานของควอนตัม f คือความถี่ และ h คือค่าคงที่ที่ตอนนี้รู้จักกันในชื่อค่าคงที่พลังค์ (6.626 x 10^-34 J s)

สูตรของพลังค์ทำให้เห็นว่าวัตถุดำสามารถปล่อยรังสีที่ความถี่เฉพาะบางอย่างขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของมัน และความถี่ที่สูงกว่าต้องการพลังงานมากกว่า นี่ทำให้เห็นว่าวัตถุดำไม่สามารถปล่อยรังสีอัลตราไวโอเลตในปริมาณไม่จำกัดได้ เพราะมันต้องการพลังงานในปริมาณไม่จำกัดในการทำเช่นนั้น

แนวคิดของพลังค์เป็นปฏิวัติเพราะมันเสนอว่าพลังงานถูกปริมาณ หมายความว่ามันสามารถมีค่าเฉพาะเท่านั้นที่เป็นเท่าของค่าคงที่พลังค์ นี่ขัดแย้งกับฟิสิกส์คลาสสิก ซึ่งสมมติว่าพลังงานสามารถมีค่าใดๆ ก็ได้

แนวคิดของพลังค์ได้รับการสนับสนุนเพิ่มเติมโดยอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ในปี 1905 เมื่อเขาอธิบายปรากฏการณ์อีกอย่างหนึ่งที่ฟิสิกส์คลาสสิกไม่สามารถอธิบายได้: ผลโฟโตอิเล็กทริก

ผลโฟโตอิเล็กทริกคือการปล่อยอิเล็กตรอนจากผิวโลหะเมื่อมันถูกส่องด้วยแสง ตามฟิสิกส์คลาสสิก จำนวนและพลังงานของอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาควรขึ้นอยู่กับความเข้มและความยาวคลื่นของแสง ตามลำดับ

อย่างไรก็ตาม การทดลองแสดงให้เห็นว่านี่ไม่เป็นความจริง: แทนที่จะขึ้นอยู่กับความถี่ของแสง และมีความถี่ขั้นต่ำที่ไม่มีอิเล็กตรอนถูกปล่อยออกมาเลย พลังงานของอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาขึ้นอยู่กับทั้งความถี่และความเข้ม: ความถี่สูงกว่าหมายความว่าพลังงานสูงกว่า ในขณะที่ความเข้มสูงกว่าหมายความว่ามีอิเล็กตรอนมากขึ้น

ไอน์สไตน์อธิบายเรื่องนี้โดยขยายแนวคิดของพลังค์และสมมติว่าแสงเองก็ถูกปริมาณเป็นแพ็คเก็ตที่เรียกว่าโฟตอน

เขาเสนอว่าแต่ละโฟตอนมีพลังงานที่สัดส่วนกับความถี่ ตามสูตรเดียวกับพลังค์:

E = hf

เขายังเสนอว่าเมื่อโฟตอนกระทบผิวโลหะ มันสามารถโอนพลังงานไปยังอิเล็กตรอนได้ หากพลังงานของโฟตอนมากกว่าหรือเท่ากับฟังก์ชันการทำงานของโลหะ ซึ่งเป็นพลังงานขั้นต่ำที่จำเป็นในการปล่อยอิเล็กตรอนออกจากผิว แล้วอิเล็กตรอนจะถูกปล่อยออกมาพร้อมกับพลังงานจลน์ที่เท่ากับผลต่าง:

KE = hf – Φ

เมื่อ KE คือพลังงานจลน์ของโฟโตอิเล็กตรอน และ Φ คือฟังก์ชันการทำงานของโลหะ

การอธิบายผลโฟโตอิเล็กทริกของไอน์สไตน์แสดงให้เห็นว่าแสงมีพฤติกรรมเหมือนอนุภาคเมื่อมันสัมผัสกับสาร และพลังงานของมันถูกปริมาณเป็นโฟตอน นี่เป็นการแตกต่างอย่างมากจากฟิสิกส์คลาสสิก ซึ่งถือว่าแสงเป็นคลื่นต่อเนื่อง

ทฤษฎีผลโฟโตอิเล็กทริกของไอน์สไตน์ได้รับการยืนยันจากการทดลองโดยโรเบิร์ต มิลลิเคนในปี 1916 ซึ่งวัดพลังงานจลน์ของโฟโตอิเล็กตรอนตามความถี่และความเข้มของแสง เขาพบว่าผลลัพธ์สอดคล้องกับการทำนายของไอน์สไตน์ และมีความสัมพันธ์เชิงเส้นระหว่างพลังงานจลน์และความถี่ ด้วยความชันเท่ากับค่าคงที่พลังค์

ความสำคัญของควอนตัมพลังงาน

การค้นพบควอนตัมพลังงานเป็นการก้าวกระโดดครั้งใหญ่ในฟิสิกส์ เนื่องจากมันเผยให้เห็นว่าสารและพลังงานไม่ใช่สิ่งที่แยกจากกัน แต่เป็นด้านต่างๆ ของความจริงเดียวกัน นอกจากนี้ยังแสดงให้เห็นว่าปรากฏการณ์ทางกายภาพในระดับอะตอมไม่สามารถอธิบายได้โดยฟิสิกส์คลาสสิก ซึ่งสมมติว่าสารและพลังงานเป็นต่อเนื่องและกำหนดได้

ควอนตัมพลังงานเป็นสิ่งจำเป็นในการทำความเข้าใจหลายด้านของฟิสิกส์ควอนตัม เช่น โครงสร้างอะตอม เส้นสเปกตรัม พันธะเคมี เลเซอร์ และการทะลุผ่านควอนตัม นอกจากนี้ยังมีการใช้งานในทางปฏิบัติในสาขาวิชาต่างๆ เช่น วิทยาศาสตร์วัสดุ นาโนเทคโนโลยี อิเล็กทรอนิกส์ และการแพทย์

ตัวอย่างเช่น ควอนตัมพลังงานถูกใช้ในการสร้างอุปกรณ์เช่น เซลล์โฟโตโวลตาอิค ซึ่งแปลงแสงเป็นไฟฟ้า; หลอดโฟโตมัลติพลายเออร์ ซึ่งขยายสัญญาณแสงที่อ่อนแอ; และไดโอดเปล่งแสงไดโอด (LED) ซึ่งสร้างแสงจากไฟฟ้า ควอนตัมพลังงานยังถูกใช้ในการวัดคุณสมบัติต่างๆ เช่น อุณหภูมิ ความดัน รังสี และสนามแม่เหล็ก.

ควอนตัมพลังงานยังมีความสำคัญในการศึกษาปรากฏการณ์เช่น การแตกฟิชชันและการรวมนิวเคลียส ซึ่งเกี่ยวข้องกับการแปลงมวลเป็นพลังงานตามสมการที่มีชื่อเสียงของไอน์สไตน์:

E = mc^2

เมื่อ E คือพลังงานที่ปล่อยหรือดูดซับ m คือความแตกต่างของมวลก่อนและหลังปฏิกิริยา และ c คือความเร็วของแสง

ควอนตัมพลังงานยังมีส่วนร่วมในกระบวนการเช่น การสลายตัวของวัตถุกัมมันตรังสี ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสที่ไม่มั่นคงปล่อยอนุภาคหรือโฟตอน; และการสร้างคู่ ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อโฟตอนที่มีพลังงานสูงสร้างคู่อิเล็กตรอน-โพสิตรอน

ทิป