Енергетичні кванти - це найменші одиниці енергії, які можуть бути передані або обміняні в фізичних процесах. Вони є будівельними блоками квантової фізики, яка описує поведінку речовини та енергії на субатомному рівні. Енергетичні кванти також відомі як кванти, квант або пакети енергії.
Квантовая фізика з'явилася на початку 20-го століття як новий галузь фізики, яка викликала класичну фізику Ньютона і Максвелла. Класична фізика не могла пояснити деякі явища, такі як випромінювання світла від нагрітих об'єктів, стабільність атомів, і дискретні шаблони спектральних ліній. Квантовая фізика ввела концепцію квантування, що означає, що деякі фізичні властивості можуть приймати лише дискретні значення, а не неперервні.
У цій статті ми дослідимо походження та значення енергетичних квантів, а також те, як вони пов'язані зі світлом, атомами та радіацією.
Однією з проблем, з якою стикнулася класична фізика, було пояснення структури та поведінки атомів. Згідно з класичною фізикою, атом складається з додатньо зарядженого ядра, оточеного від'ємно зарядженими електронами, які обертаються навколо нього, як планети навколо сонця. Сила, яка утримує електрони на своїх орбітах, - це баланс між силою Кулона, яка притягує їх до ядра, та центробіжною силою, яка відштовхує їх.
Однак, ця модель мала великий недолік: згідно з класичною електромагнітною теорією, прискорений заряджений частинка випромінює електромагнітне випромінювання. Це означає, що обертаючийся електрон має втратити енергію та спадати в ядро, що зробить атоми нестабільними та призведе до їх руйнування. Це очевидно не відбувається в реальності, тому класична фізика не могла пояснити стабільність атомів.
Інша проблема, з якою стикнулася класична фізика, була пояснення випромінювання світла від нагрітих об'єктів, відоме як чорнотільне випромінювання. Згідно з класичною фізикою, чорне тіло - це ідеальний об'єкт, який поглинає всі входящі випромінювання та випромінює випромінювання на всіх частотах, залежно від його температури. Інтенсивність виділеного випромінювання повинна безперервно зростати з частотою, за формулою, виведеною Релеєм та Джинсом.
Однак, ця формула передбачала, що чорне тіло буде виділяти нескінченні кількості енергії на високих частотах, що суперечило експериментальним спостереженням. Цей парадокс був відомий як ультрафіолетова катастрофа, оскільки він означав, що чорне тіло буде виділяти більше ультрафіолетового випромінювання, ніж видимого світла.
Класична фізика не змогла пояснити ці явища, оскільки вона припускала, що енергія може передаватися або обмінюватися в будь-якій кількості, незалежно від її частоти або довжини хвилі. Однак, це припущення виявилося невірним, коли квантовая фізика ввела концепцію енергетичних квантів.
Концепцію енергетичних квантів вперше запропонував Макс Планк у 1900 році, коли він досліджував чорнотільне випромінювання. Щоб вирішити проблему ультрафіолетової катастрофи, він запропонував, що енергія може виділятися або поглинатися лише в дискретних пакетах, а не неперервно. Він назвав ці пакети "квантами" або "елементами енергії", і пов'язав їхню енергію з їхньою частотою за простим формулою:
E = hf
Де E - енергія кванта, f - його частота, а h - константа, яка тепер відома як стала Планка (6.626 x 10^-34 Дж·с).
Формула Планка означала, що чорне тіло може виділяти лише певні частоти випромінювання, залежно від його температури, і що вищі частоти вимагають більших кількостей енергії. Це пояснює, чому чорне тіло не виділяє нескінченні кількості ультрафіолетового випромінювання, оскільки для цього потрібні були б нескінченні кількості енергії.
Ідея Планка була революційною, оскільки вона запропонувала, що енергія квантується, тобто може приймати лише дискретні значення, які є кратними сталої Планка. Це суперечило класичній фізиці, яка припускала, що енергія може мати будь-яке значення.
Ідея Планка була підтверджена Альбертом Ейнштейном у 1905 році, коли він пояснив інше явище, яке не міг пояснити класичний фізика: фотоелектричний ефект.
Фотоелектричний ефект - це випромінювання електронів з поверхні металу, коли він виставляється на світло. Згідно з класичною фізикою, кількість та енергія виділених електронів повинні залежати від інтенсивності та довжини хвилі світла, відповідно.
Однак, експерименти показали, що це не так: замість цього, кількість виділених електронів залежала від частоти світла, і була мінімальна частота, нижче якої не виділялися жодні електрони. Енергія виділених електронів залежала від обох параметрів: вища частота означала більшу енергію, а вища інтенсивність - більше електронів.
Ейнштейн пояснив це, розширяючи ідею Планка і припускаючи, що саме світло квантується в пакети, відомі як фотони.
Він запропонував, що кожен фотон має енергію, пропорційну його частоті, за тією ж формулою, що і Планк:
E = hf
Він також запропонував, що коли фотон ударяється про металеву поверхню, він може передати свою енергію електрону. Якщо енергія фотона більша або дорівнює робочій функції металу, яка є мінімальною енергією, необхідною для викидання електрона з поверхні, то електрон буде виділений з кінетичною енергією, яка дорівнює різниці:
KE = hf – Φ
Де KE - кінетична енергія фотоелектрону, а Φ - робоча функція металу.
Пояснення Ейнштейна фотоелектричного ефекту показало, що світло поводиться як частинка, коли взаємодіє з речовиною, і що його енергія квантується в фотони. Це було радикальним відхиленням від класичної фізики, яка вважала світло неперервною хвилею.
Теорія Ейнштейна про фотоелектричний ефект була підтверджена експериментально Робертом Мілліканом у 1916 році, який виміряв кінетичну енергію фотоелектронів в залежності від частоти та інтенсивності світла. Він знайшов, що результати збігаються з прогнозами Ейнштейна, і що існує лінійна залежність між кінетичною енергією та частотою, з нахилом, рівним сталої Планка.
Відкриття енергетичних квантів було важливим проривом в фізиці, оскільки воно показало, що речовина та енергія не є окремими сутностями, а різними аспектами однієї реальності. Воно також показало, що фізичні явища на субатомному рівні не можуть бути пояснені класичною фізикою, яка припускає, що речовина та енергія є неперервними та детермінованими.
Енергетичні кванти є важливими для розуміння багатьох аспектів квантової фізики, таких як атомна структура, спектральні лінії, хімічні зв'язки, лазери та квантовий тунельний ефект. Вони також мають багато практичних застосувань в таких областях, як наукові про матеріали, нанотехнології, електроніка та медицина.
Наприклад, енергетичні кванти використовуються для створення пристроїв, таких як фотоелектричні панелі, які перетворюють світло на електричну енергію; фотомножувальні трубки, які підсилюють слабкі сигнали світла; та світловиді діоди (LED), які виробляють світло з електричної енергії. Енергетичні кванти також використовуються для вимірювання властивостей, таких як температура, тиск, радіація та магнітні поля.
Енергетичні кванти також важливі для вивчення явищ, таких як ядерний розпад, який відбувається, коли нестабільне ядро випромінює частинки або фотони; та парне виробництво, яке відбувається, коли високоенергетичний фотон створює електрон-позитронну пару.
