Energiya kvantalari fizikaviy jarayonlarda o‘tkazilishi yoki almashishi mumkin bo‘lgan eng kichik energiya birligi hisoblanadi. Ular kvant mexanikasining qurilish bloklari bo‘lib, bu sohada zarrachalar va energiya subatomli darajada xususiyatlarini tavsiflaydi. Energiya kvantalari kvant, kvant paketlari deb ham ataladi.

Kvant mexanikasi 20-asr boshida Newton va Maxwellning klassik fizikasiga aylanish bilan yangi fizika sohasi sifatida paydo bo‘ldi. Klassik fizika ishonchli ob'ektlardan nurlarning chiqarilishi, atomlarning qonqirlikligi va spektral chizig‘larning diskret mintakalarini tushuntirishi uchun yetarli emas edi. Kvant mexanikasi kvantlash konsepsiyasini kirg‘izdi, ya'ni ba'zi fizik xususiyatlarni faqat diskret qiymatlarni olishi mumkin, davvalaridagi kontinual qiymatlarni olishi mumkin emas.

Bu maqolada biz energiya kvantalari orijinal va muhim ahamiyatini, shuningdek ularning nurlar, atomlar va radiatsiya bilan bog‘liqligini tahlil qilamiz.

Klassik fizikaning yutolishi

Klassik fizikaning bir muammosi atomlar strukturasini va xususiyatlarini tushuntirishga doir bo‘lgan. Klassik fizika asosida atom musbat to‘qnolangan markaziy qismi va uning atrofida quyidagi sayyoralar kabi aylanuvchi salbiy to‘qnolangan elektronlardan iborat. Elektronlarni orbitada saqlash quvvasi Coulomb quvvasi va sentrifugal quvva orasidagi balansdir.

Lekin, bu modelda katta kamchilik bor: klassik elektromagnit teoriyasiga ko‘ra, tezlanayotgan to‘qnalangan zarracha elektromagnit radiatsiyani ayb beradi. Bu esa aylanayotgan elektron energiyasini yo‘qotib, markaziy qismga qo‘shilishi kerak, bunda atomlar qonqir emas va yoyilib ketadi. Bunday jarayon haqiqiy hayotda sodir bo‘lmaydi, shuning uchun klassik fizika atomlarning qonqirlikligini tushuntirishi mumkin emas edi.

Klassik fizikaning yana bir muammosi issiq ob'ektlardan nurlarning chiqarilishini, ya'ni qora jism radiatsiyasini tushuntirishga doir bo‘lgan. Klassik fizika asosida, qora jism hamma kirib keladigan radiatsiyani o‘z ichiga oladi va uning harorati asosida barcha chastotalarda radiatsiyani ayb beradi. Chiqarilayotgan radiatsiya intensivligi chastotalarga qarab Rayleigh va Jeans formulasi asosida davval ravishda o‘sadi.

Lekin, bu formula qora jismning yuqori chastotalarda cheksiz miqdordagi energiyani ayb berishi kerakligini nazarda tutadi, bu esa tajribaviy natijalar bilan solishtirilganda inkor etiladi. Bu paradoks ultrafiolet katastrofa deb ataladi, chunki u qora jismning ultrafiolet radiatsiyadan ko‘proq nurlarni ayb berishi kerakligini anglatadi.

Klassik fizika bu jarayonlarni tushuntirishi uchun energiya har qanday miqdorda, chastota yoki daliliqa qarab o‘tkazilishi yoki almashishi mumkin ekanligini faraz qildi. Lekin kvant mexanikasi energiya kvantalari konsepsiyasini kirg‘izganda, bu faraz noto‘g‘ri bo‘ldi.

Energiya kvantalari o‘qilishi

Energiya kvantalari konsepsiya Max Planck tomonidan 1900-yilda o‘q qopqo radiatsiyasini o‘rganayotida ilk marta taklif etildi. Ultraviyolev katastrofani hal qilish uchun, u energiya aniq paketlar orqali, yoki doimiy ravishda emittirlanishi yoki qabul qilinishi kerakligini taklif qildi. U bu paketlarni “kvant” yoki “energiya elementlari” deb atadi, va ularning energiyasini asosiy formulaga qarab frekvensiyasi bilan bog'liq qilib oldi:

E = hf

Bu yerda E kvantning energiyasi, f uning frekvensiyasi, h esa endi Planck konstantasi deb tanish bo'lgan (6.626 x 10^-34 J s).

Planck formulasi, o‘q qopqo har xil radiatsiya frekvensiyalarini ishlab chiqishi mumkin ekanligini anglatadi, bu esa uning temperaturasi bilan bog'liq. Yuqori frekvensiyalar uchun yuqori miqdordagi energiya talab qilinadi. Bu tushuntiradi, nima sababli o‘q qopqo cheksiz ultraviyolev radiatsiya ishlab chiqarmaydi, chunki bu uchun cheksiz miqdorda energiya kerak bo'lishi kerak.

Planck ideyasi revolyutsioner edi, chunki u energiya kvantlashgan ekanligini anglatadi, ya'ni unda faqat Planck konstantasining karralari bo'lgan diskret qiymatlarni oladigan ekan. Bu klassik fizika bilan zid, chunki klassik fizika energiya istalgan qiymatni olishi mumkin deb hisoblaydi.

Albert Einstein 1905-yilda klassik fizika boshqa bir javob berolmagan havas effektini tushuntirganda Planck ideyasini yana bir bor mustahkamladi.

Havas effekti, metall paytozga o‘q tabaniga yetkazilganda elektronlarning paydo bo'lishi. Klassik fizika boyicha, chiqarilgan elektronlar soni va energiyasi mos ravishda o‘q intensivligi va to‘qligiga bog'liq bo'lishi kerak.

Amma amaliy tadqiqotlar ko'rsatdi, bu rost emas: o'rniga, chiqarilgan elektronlar soni o‘q frekvensiyasiga bog'liq bo'ldi, va elektronlarni hech qachon chiqarmaydigan minimum frekvensiyadan pastroq frekvensiya mavjud. Chiqarilgan elektronlar energiyasi ham frekvensiya va intensivlikka bog'liq: yuqori frekvensiya yuqori energiya, yuqori intensivlik esa ko'proq elektronlarni anglatadi.

Einstein Planck ideyasini kengaytirib, o‘q o'z-o'ziga kvantlashgan, fotondi deb atalgan paketlarga ega ekanligini faraz qilgan.

U har bir fotonning energiyasin frekvensiyasiga proporsional ekanligini taklif qildi, Planck formulasi bilan bir xil:

E = hf

U hamda foton metall paytozga yetkazilganda, uni elektronka energiyasini uzatishi mumkinligini taklif qildi. Agar fotonning energiyasi metallning ish funktsiyasi dan yoki unga teng bo'lsa, ya'ni paytozdan elektronni chiqarish uchun zarur minimum energiya, elektron quyidagi farqga teng kinetik energiyada chiqariladi:

KE = hf – Φ

Bu yerda KE fotoelektronning kinetik energiyasi, va Φ metallning ish funktsiyasi.

Einstein havas effektini tushuntirishi, o‘q material bilan ta'sir qilayotganda parchalarga o'xshash xususiyatlar ko'rsatadi va uning energiyasi fotondi deb kvantlashgan. Bu klassik fizikadan radikal ravishda farqli, chunki klassik fizika o‘qni doimiy to‘q deb hisoblaydi.

Einstein havas effektini tushuntiruvchi nazariyasi Robert Millikan tomonidan 1916-yilda amaliy jihatdan tekshirildi, u fotoelektronning kinetik energiyasini o‘qning frekvensiyasi va intensivligiga bog'liq bo'lgan funksiya bilan o'lidi. U natijalar Einsteinning taxminlariga mos kelganini va kinetik energiya va frekvensiya orasida Planck konstantasiga teng bo'lgan egri bilan linear munosabat mavjudligini aniqladi.

Energiya kvantalari ahamiyati

Energiya kvantalari o'qilishi fizikada katta qadam bo'lgan, chunki u mavjudot va energiya farqlanadigan entiteler emas, balki bir xil haqiqiylikning turli aspektlari ekanligini ko'rsatdi. Bu hamda subatomli darajadagi fizikaviy jarayonlarni klassik fizika (mavjudot va energiya doimiy va deterministik deb hisoblaydigan) yordamida tushuntirib bo'lmaydiganini ko'rsatdi.

Energiya kvantalari kvant mexanikasining bir qator aspektlarini tushunish uchun zarur, masalan, atom tuzilishi, spektral chizig'lari, kimyoviy bog'lar, lazery va kvant tunneling. Ular materialshunoslik, nanotexnologiya, elektronika va dori-darmon sohalarida ko'plab praktik qo'llanmalarga ega.

Masalan, energiya kvantalari quyidagi qurilmalar yaratish uchun ishlatiladi: fotosensorlar, ya'ni nurlarni elektrga aylantiradigan qurilmalar; fotomultiplier tubular, ya'ni zayif nurlar signallarini kuchaytiradigan qurilmalar; va nurlanuvchi diodlar (LED), ya'ni elektrdan nurlarni yaratadigan qurilmalar. Energiya kvantalari harorat, bosim, radiatsiya va magnit maydonlar kabi xususiyatlarni o'lchash uchun ham ishlatiladi.

Energiya kvantalari yadro fission va fusion kabi jarayonlarni o'rganish uchun ham muhim, bu jarayonlar Einsteinning mashhur tenglamasi bo'yicha massa energiyaga aylanadi:

E = mc^2

Bu yerda E - chiqarilgan yoki olingan energiya, m - reaksiyadan oldin va keyin bo'lgan massa farqi, c - nur tezligi.

Energiya kvantalari radioaktiv tortishish, ya'ni notegish yadro partiklalarni yoki fotonlarni chiqarayotganda; va juftlik ishlab chiqarish, ya'ni yuqori energiyali foton elektron-positron juftligini yaratayotganda ham ishtirok etadi.

Xulosa

Energiya kvantalari fizikaviy jarayonlarda utish yoki almashtirish mumkin bo'lgan eng kichik energiya birligi. Ular kvant mexanikasining qurilish bloklari, bu mexanika subatomli darajadagi mavjudot va energiya tavsifi beradi.

Energiya kvantalari tushunchasi Max Planck tomonidan 1900-yilda qora jism radiatsiyasini tushuntirish uchun ilk bor taqdim etilgan va keyin Albert Einstein tomonidan 1905-yilda fotoelektr effektini tushuntirish uchun kengaytirildi. Bu jarayonlar energiya kvantlanganligini, ya'ni unda faqat Planck konstantasining diskret qiymatlari bo'lishini ko'rsatdi.

Energiya kvantalari o'qilishi klasik fizikani qiyin holatga keltirdi, chunki klasik fizika energiya qiymati istalgan qiymatni olishi va yorug'ning davomli to'g'ri chiziq sifatida harakat qilishi ekanini faraz etardi. Bu o'qish hamda ko'rsatdi ki, madda va energiya alohida obyektlar emas, balki bir xil haqiqiylikning turli aspektlari.

Izoh: Asl matnani hurmat bilan muhokama qiling, yaxshi maqolalar ulashishga layiq, nusxa olingan bo'lsa o'chirish uchun bog'laning.