Co je Quantum?

Základní informace

Definice pojmu kvantum ze slovníku Dictionary.com zní: „nejmenší množství zářivé energie, které se rovná Planckově konstantě krát frekvence příslušného záření“. Tato definice v podstatě odkazuje na rovnici Planckova vztahu (E=hf), kterou definoval Max Planck. Ten později v roce 1918 získal Nobelovu cenu za práci o kvantech energie.

Planck zjistil, že fotony (včetně světla) jsou „svazky“ energie, jak to nazval, nikoliv spojité vlnění. Řada fyziků označovala tyto svazky energie jako kvanta (množné číslo slova kvantum) již na počátku 20. století a dnes se takto běžně označují.

Když se fotony pohybují ve vlnách, jsou to diskrétní svazky energie – kvanta. Když je elektron na oběžné dráze kolem atomu, nachází se na kvantových energetických hladinách. Elektron se může nacházet pouze na určitých orbitách (energetických hladinách). Když elektron přechází mezi orbitaly, označuje se to jako kvantový skok. Vztah mezi tím, že se elektron v atomu nachází na kvantových energetických hladinách, a tím, že foton je kvantovým paketem energie, není překvapivý. Přechod elektronu na nižší orbitaly je to, co vytváří foton.

Vysvětlení

Kvanta je obtížné pochopit, protože současné vysvětlení subatomárního světa je velmi odlišné od světa většího než atom. V současné době se předpokládá, že kvantový svět má ve vesmíru jiná pravidla. S malou změnou našeho způsobu myšlení se však most mezi kvantovým světem a světem, ve kterém vidíme, stává zřejmým. Oba žijí podle stejných fyzikálních pravidel.

Chceme-li změnit náš způsob myšlení, musíme vzít v úvahu, že proton má přitažlivý i odpudivý náboj. Složky protonu a způsoby, jak k tomu může docházet, jsou uvedeny na stránce vysvětlující proton. Je to stále obtížné pochopit, proto k vysvětlení kvant použijeme analogii.

Představte si fén a pingpongový míček. Fén je zapnutý na nízké otáčky a míří vzhůru a do proudu vzduchu vanoucího vzhůru je umístěn pingpongový míček. Pingpongový míček se rozvibruje a pak se usadí ve vzduchu. Pingpongový míček je gravitační silou přitahován k zemi, ale nucený vzduch z fénu ho udržuje zavěšený ve vzduchu. Tento pokus si můžete vyzkoušet doma. Příklad je následující…

V analogii je pingpongový míček elektronem na orbitě kolem jednoho protonu. Na proton působí přitažlivá síla (v tomto případě gravitace Země) a odpudivá síla (nucený vzduch). Právě nepochopení protonu a této vlastnosti přitažlivosti a odpudivosti vede k záměně kvant.

Před vysvětlením kvant pomocí vlnové teorie energie uvádíme ještě několik scénářů experimentu s pingpongovým míčkem pro pochopení orbitalů:

• Představte si stejný experiment provedený na těžší planetě se silnější gravitací. Když se pingpongový míček usadí na místě, bude blíže k fénu. To odpovídá většímu počtu protonů v atomu.
• Představte si stejný pokus s fénem nastaveným na vysoký stupeň (místo na nízký). Silnější vzduch vytlačí pingpongový míček dál, ale na fénu jsou jen určitá nastavení. To je ekvivalentem většího počtu protonů seřazených v atomu, které způsobují orbitální skoky.
• Představte si stejný experiment s dalšími fény namířenými na pingpongový míček z jiných úhlů a vzdáleností. To způsobí, že pingpongový míček bude mít nové místo, kde může spočinout. To odpovídá dalším elektronům v atomu, které působí odpudivými silami a mění orbitální vzdálenosti.

Atomový orbital – kvantové energetické hladiny

Scénáře s pingpongovým míčkem jsou nejlepším způsobem, jak vysvětlit síly elektronu v atomu. Pro tento model existuje dostatek důkazů z teorie energetických vln: 1) struktura protonu odpovídá experimentům s rozpadem beta, 2) byly přesně vypočteny orbitální vzdálenosti a 3) byly vypočteny ionizační energie elektronů pro prvních dvacet prvků. Příklad atomu a přitažlivé síly (F1) a odpudivé síly (F2) je znázorněn níže. Bod, kde se síly rovnají, se stává orbitálem. Každý orbital má přiřazenou energetickou hladinu odpovídající přitažlivé, elektrické síle pro elektron v dané vzdálenosti.

Atomový orbital

Vysvětlení protonu řeší pouze jednu část kvantové záhady. Vysvětluje, jak je možné, že elektron zůstává na oběžné dráze kolem protonu, zatímco u pozitronu tomu tak není. Vysvětluje, jak může mít stabilní atom různé orbitaly v závislosti na konfiguraci svého jádra. Nevysvětluje však (zatím) foton.

Emise fotonu – vytváření kvantové energie

Energie se vždy zachovává, ale mění své formy. Když je elektron zachycen na orbitalu blíže atomovému jádru, rozkmitá se a vytvoří příčnou vlnu. Dochází k přenosu energie podélného vlnění na energii příčného vlnění. Foton je příčná vlna. Když vzniká z elektronu v atomu, jedná se o krátkodobou vibraci, a stává se tak diskrétním paketem (kvantem) energie příčného vlnění. Jedná se o foton a jeho vlastnosti lze modelovat v teorii energetických vln pomocí rovnice příčné energie, v níž se získaná energie přesně rovná energii ztracené při výpočtu pomocí rovnice podélné energie.

Elektron může být zachycen z vnějšku atomu nebo může přecházet mezi orbitaly, jako je tomu na obrázku níže. Jak je však vysvětleno ve struktuře protonu v příkladu s pingpongovým míčkem, existují určité vzdálenosti, ve kterých budou síly působící na elektron nulové, v závislosti na počtu protonů a rozmístění ostatních elektronů v atomu. Níže je uveden jeden z příkladů vzniku fotonu z vibrací elektronu.

Absorpce fotonu – pohlcení kvantové energie

Kvantovou energii fotonu lze také absorbovat, čímž se energie příčného vlnění přemění zpět na energii podélného vlnění. Podrobnosti o tom, jak jsou fotony o určitých frekvencích pohlcovány elektrony, najdete na stránce Interakce fotonů. Stručně řečeno, příčné vlny způsobují rychlejší spin elektronu, čímž se zvyšuje amplituda podélných vln mezi jádry. To nutí elektron vzdalovat se od jádra, ale nakonec se vrátí do základního stavu, protože nárůst amplitudy je dočasný.

Kvantum by nemělo být záhadným jevem, který se týká pouze subatomárních částic. Energetické hladiny jsou výsledkem působení více sil v atomu na elektron a pohyb elektronu převádí energii mezi dvěma různými vlnovými formami: podélnou a příčnou.