Was ist ein Quantum?

Hintergrund

Die Definition von Quantum von Dictionary.com ist „die kleinste Menge an Strahlungsenergie, gleich der Planckschen Konstante mal der Frequenz der zugehörigen Strahlung“. Diese Definition bezieht sich im Wesentlichen auf die Planck-Relation (E=hf), die von Max Planck definiert wurde. Er erhielt 1918 den Nobelpreis für seine Arbeiten über Energiequanten.

Planck entdeckte, dass Photonen (einschließlich Licht) „Energiebündel“ sind, wie er es nannte, und keine kontinuierliche Welle. Zahlreiche Physiker bezeichneten diese Energiebündel in den frühen 1900er Jahren als Quanten (Plural von Quantum), und heute wird es allgemein so bezeichnet.

Wenn sich Photonen in Wellen bewegen, sind sie diskrete Energiebündel – Quanten. Wenn sich ein Elektron auf einer Umlaufbahn um ein Atom befindet, befindet es sich auf Quantenenergieniveaus. Das Elektron kann sich nur auf bestimmten Orbitalen (Energieniveaus) befinden. Wenn das Elektron zwischen den Orbitalen wechselt, spricht man von einem Quantensprung. Die Beziehung zwischen dem Elektron in einem Atom, das sich auf Quantenenergieniveaus befindet, und dem Photon, das Quantenenergiepakete ist, ist nicht überraschend. Durch den Übergang des Elektrons in niedrigere Orbitale entsteht ein Photon.

Erklärung

Quanten sind schwer zu verstehen, weil sich die derzeitige Erklärung der subatomaren Welt stark von der Welt jenseits des Atoms unterscheidet. Derzeit wird angenommen, dass in der Quantenwelt andere Regeln gelten als im Universum. Wenn wir jedoch unsere Denkweise ein wenig ändern, wird die Brücke zwischen der Quantenwelt und der Welt, die wir sehen, deutlich. Beide leben nach den gleichen physikalischen Regeln.

Um unsere Denkweise zu ändern, müssen wir bedenken, dass das Proton sowohl eine anziehende als auch eine abstoßende Ladung hat. Die Bestandteile des Protons und wie es dazu kommen kann, wird auf einer Seite über das Proton erklärt. Es ist immer noch schwer zu verstehen, daher wird eine Analogie verwendet, um Quanten zu erklären.

Stellen Sie sich einen Föhn und einen Tischtennisball vor. Der Föhn steht auf niedriger Stufe und ist nach oben gerichtet, und ein Tischtennisball wird in den Luftstrom gestellt, der nach oben bläst. Der Ping-Pong-Ball vibriert und setzt sich dann in der Luft ab. Der Tischtennisball wird durch die Schwerkraft zum Boden gezogen, aber die vom Fön erzeugte Luft hält ihn in der Luft. Dieses Experiment kann auch zu Hause durchgeführt werden. Ein Beispiel ist das folgende…

In der Analogie ist der Tischtennisball ein Elektron in einer Umlaufbahn um ein einzelnes Proton. Das Proton hat eine anziehende Kraft (in diesem Fall die Schwerkraft der Erde) und eine abstoßende Kraft (erzwungene Luft). Das Missverständnis des Protons und dieser Eigenschaft, anziehend und abstoßend zu sein, ist es, was zur Verwirrung der Quanten führt.

Bevor die Quanten mit Hilfe der Energiewellentheorie erklärt werden, werden einige weitere Szenarien für das Ping-Pong-Ball-Experiment bereitgestellt, um Orbitale zu verstehen:

• Stellen Sie sich das gleiche Experiment auf einem schwereren Planeten mit stärkerer Schwerkraft vor. Der Tischtennisball wird sich näher am Fön befinden, wenn er sich in Position begibt. Dies entspricht einer größeren Anzahl von Protonen in einem Atom.
• Stellen Sie sich dasselbe Experiment vor, wenn der Föhn auf hoher Stufe (statt auf niedriger Stufe) eingestellt ist. Die stärkere Luft drückt den Tischtennisball weiter nach oben, aber es gibt nur bestimmte Einstellungen am Fön. Das ist das Äquivalent zu mehr Protonen im Atom, die Orbitalsprünge verursachen.
• Stellt euch dasselbe Experiment mit zusätzlichen Föhns vor, die aus anderen Winkeln und Entfernungen auf den Tischtennisball gerichtet sind. Dadurch erhält der Tischtennisball einen neuen Ort, an dem er ruhen kann. Dies ist das Äquivalent zu zusätzlichen Elektronen im Atom, die abstoßende Kräfte ausüben und die Orbitalabstände verändern.

Atomorbital – Quantenenergieniveaus

Die Tischtennisballszenarien sind der beste Weg, um die Kräfte eines Elektrons in einem Atom zu erklären. Es gibt genügend Beweise für dieses Modell aus der Energiewellentheorie: 1) die Struktur des Protons stimmt mit den Experimenten des Betazerfalls überein, 2) die Orbitalabstände wurden genau berechnet, und 3) die Ionisierungsenergien der Elektronen wurden für die ersten zwanzig Elemente berechnet. Ein Beispiel für ein Atom und die anziehende Kraft (F1) und die abstoßende Kraft (F2) ist unten abgebildet. Der Punkt, an dem die Kräfte gleich sind, wird zu einem Orbital. Jedem Orbital ist ein Energieniveau zugeordnet, das der anziehenden, elektrischen Kraft für das Elektron in diesem Abstand entspricht.

Atomisches Orbital

Die Erklärung des Protons löst nur einen Teil des Quantenrätsels. Sie erklärt, wie ein Elektron in einer Umlaufbahn um ein Proton bleibt, während dies bei einem Positron nicht der Fall ist. Sie erklärt, wie ein stabiles Atom je nach der Konfiguration seines Kerns verschiedene Orbitale haben kann. Aber es erklärt (noch) nicht das Photon.

Photonenemission – Erzeugung von Quantenenergie

Energie bleibt immer erhalten, aber sie ändert ihre Form. Wenn ein Elektron in einem Orbital in der Nähe des Atomkerns eingefangen wird, schwingt es und erzeugt eine Transversalwelle. Es überträgt Longitudinalwellenenergie in Transversalwellenenergie. Das Photon ist eine Transversalwelle. Wenn es von einem Elektron in einem Atom erzeugt wird, handelt es sich um eine kurzlebige Schwingung, d. h. es wird zu einem diskreten Paket (Quantum) von Transversalwellenenergie. Dies ist das Photon, und seine Eigenschaften können in der Energiewellentheorie mit einer transversalen Energiegleichung modelliert werden, bei der die gewonnene Energie genau der Energie entspricht, die bei der Berechnung mit der longitudinalen Energiegleichung verloren geht.

Ein Elektron kann von außerhalb des Atoms eingefangen werden, oder es kann zwischen Orbitalen wechseln, wie in der Abbildung unten. Aber wie in der Struktur des Protons im Ping-Pong-Ball-Beispiel erläutert, gibt es bestimmte Abstände, in denen die auf das Elektron wirkenden Kräfte gleich Null sind, abhängig von der Anzahl der Protonen und der Anordnung der anderen Elektronen im Atom. Nachfolgend ein Beispiel für die Entstehung des Photons aus der Schwingung des Elektrons.

Absorption von Photonen – Absorption von Quantenenergie

Die Quantenenergie des Photons kann auch absorbiert werden, wobei Transversalwellenenergie in Longitudinalwellenenergie zurückgewandelt wird. Wie Photonen bei bestimmten Frequenzen von Elektronen absorbiert werden, wird auf der Seite Photonenwechselwirkungen ausführlich beschrieben. Kurz gesagt, Transversalwellen bewirken einen schnelleren Spin des Elektrons, wodurch sich die Amplitude der Longitudinalwellen zwischen den Kernen erhöht. Dadurch wird das Elektron vom Kern weggedrängt, kehrt aber schließlich in den Grundzustand zurück, da der Amplitudengewinn nur vorübergehend ist.

Quantum sollte kein mysteriöses Phänomen sein, das nur für subatomare Teilchen gilt. Die Energieniveaus sind das Ergebnis mehrerer Kräfte im Atom, die auf ein Elektron einwirken, und die Bewegung des Elektrons wandelt Energie zwischen zwei verschiedenen Wellenformen um: longitudinal und transversal.