Cos’è il quantum?

Sfondo

La definizione di quantum da Dictionary.com è “la più piccola quantità di energia radiante, uguale alla costante di Planck per la frequenza della radiazione associata”. Questa definizione si riferisce essenzialmente all’equazione della relazione di Planck (E=hf) che fu definita da Max Planck. Egli vinse in seguito il premio Nobel nel 1918 per il suo lavoro sui quanti di energia.

Quello che Planck scoprì fu che i fotoni (compresa la luce) sono “fasci” di energia, come li chiamò lui, non un’onda continua. Numerosi fisici si riferivano a questo fascio di energia come quanti (plurale di quantum) all’inizio del 1900 e ora ci si riferisce comunemente a questo modo.

Quando i fotoni viaggiano in onde, sono fasci discreti di energia – quantum. Quando un elettrone è in orbita attorno a un atomo, si trova a livelli energetici quantici. L’elettrone può trovarsi solo in determinati orbitali (livelli di energia). Quando l’elettrone passa da un’orbita all’altra, si parla di salto quantico. La relazione tra l’elettrone in un atomo che si trova a livelli energetici quantici e il fotone che è un pacchetto quantico di energia non è sorprendente. La transizione dell’elettrone ad orbitali inferiori è ciò che crea un fotone.

Spiegazione

Il quantismo è difficile da comprendere perché la spiegazione attuale del mondo subatomico è molto diversa dal mondo più grande dell’atomo. Attualmente si crede che il mondo quantistico abbia un diverso insieme di regole nell’universo. Tuttavia, con un leggero cambiamento nel nostro modo di pensare, il ponte tra il mondo quantistico e il mondo in cui vediamo diventa evidente. Entrambi vivono secondo le stesse regole della fisica.

Per cambiare il nostro modo di pensare, dobbiamo considerare che il protone ha sia una carica attrattiva che una carica repellente. I componenti del protone e come questo possa avvenire sono presentati in una pagina che spiega il protone. È ancora difficile da comprendere, quindi verrà usata un’analogia per spiegare il quantum.

Immaginate un asciugacapelli e una pallina da ping pong. Il phon è a bassa velocità e puntato verso l’alto e una pallina da ping pong viene messa nel flusso d’aria che soffia verso l’alto. La pallina da ping pong vibra e poi si mette in posizione a mezz’aria. La pallina da ping pong è attratta a terra dalla forza di gravità, ma l’aria forzata del phon la tiene sospesa in aria. Questo esperimento può essere tentato a casa. Un esempio è il seguente…

Nell’analogia, la pallina da ping pong è un elettrone in un orbitale attorno ad un singolo protone. Il protone ha una forza attrattiva (la gravità della Terra in questo caso) e una forza repulsiva (aria forzata). Il fraintendimento del protone e di questa proprietà di essere attrattivo e repulsivo è ciò che porta alla confusione dei quanti.

Prima di spiegare i quanti usando la teoria delle onde di energia, vengono forniti alcuni altri scenari per l’esperimento della pallina da ping pong per capire gli orbitali:

• Immaginate lo stesso esperimento condotto su un pianeta più pesante con una gravità più forte. La pallina da ping pong sarà più vicina al phon quando si metterà in posizione. Questo è l’equivalente di più protoni in un atomo.
• Immagina lo stesso esperimento con il phon su un’impostazione alta (invece che bassa). L’aria più forte spinge la pallina da ping pong più in alto, ma ci sono solo certe impostazioni sul phon. Questo è l’equivalente di più protoni allineati nell’atomo che causano salti orbitali.
• Immagina lo stesso esperimento con altri phon puntati sulla pallina da ping pong da altre angolazioni e distanze. Questo farà sì che la pallina da ping pong abbia una nuova posizione dove può riposare. Questo è l’equivalente di ulteriori elettroni nell’atomo che hanno forze repulsive, cambiando le distanze orbitali.

Orbitali atomici – livelli di energia quantistica

Gli scenari della pallina da ping pong sono il modo migliore per spiegare le forze di un elettrone in un atomo. Ci sono prove sufficienti di questo modello dalla teoria delle onde di energia: 1) la struttura del protone corrisponde agli esperimenti di decadimento beta, 2) le distanze orbitali sono state calcolate con precisione, e 3) le energie di ionizzazione degli elettroni sono state calcolate per i primi venti elementi. Un esempio dell’atomo e della forza attrattiva (F1) e repulsiva (F2) è illustrato qui sotto. Il punto in cui le forze sono uguali diventa un orbitale. Ogni orbitale ha un livello energetico associato che corrisponde alla forza attrattiva ed elettrica per l’elettrone a quella distanza.

Orbitale atomico

La spiegazione del protone risolve solo una parte del mistero quantico. Spiega come un elettrone rimanga in orbita attorno ad un protone quando non fa lo stesso con un positrone. Spiega come un atomo stabile possa avere orbite diverse a seconda della configurazione del suo nucleo. Ma non ha (ancora) spiegato il fotone.

Emissione di fotoni – Creazione di energia quantistica

L’energia si conserva sempre ma cambia forma. Quando un elettrone viene catturato in un orbitale più vicino al nucleo atomico, vibra e crea un’onda trasversale. Sta trasferendo l’energia dell’onda longitudinale all’energia dell’onda trasversale. Il fotone è un’onda trasversale. Quando viene creato da un elettrone in un atomo, è una vibrazione di breve durata, quindi diventa un pacchetto discreto (quantum) di energia d’onda trasversale. Questo è il fotone e le sue proprietà possono essere modellate nella teoria delle onde di energia con un’equazione dell’energia trasversale, in cui l’energia guadagnata è esattamente uguale all’energia persa nel calcolo usando l’equazione dell’energia longitudinale.

Un elettrone può essere catturato dall’esterno dell’atomo, o può cambiare tra orbitali, come nell’illustrazione qui sotto. Ma come spiegato nella struttura del protone nell’esempio della pallina da ping pong, ci sono distanze specifiche in cui le forze saranno nulle che agiscono sull’elettrone, a seconda del numero di protoni e del posizionamento di altri elettroni nell’atomo. Qui sotto c’è uno degli esempi della creazione del fotone dalla vibrazione dell’elettrone.

Assorbimento del fotone – Assorbimento dell’energia quantica

L’energia quantica del fotone può anche essere assorbita, convertendo l’energia delle onde trasversali in energia delle onde longitudinali. I dettagli di come i fotoni a frequenze specifiche sono assorbiti dagli elettroni sono forniti nella pagina delle interazioni tra fotoni. In breve, le onde trasversali causano uno spin più veloce dell’elettrone, aumentando l’ampiezza dell’onda longitudinale tra il nucleo. Questo costringe l’elettrone ad allontanarsi dal nucleo, ma alla fine ritorna allo stato di terra poiché il guadagno di ampiezza è temporaneo.

Il quantum non dovrebbe essere un fenomeno misterioso che riguarda solo le particelle subatomiche. I livelli di energia sono il risultato di molteplici forze nell’atomo che agiscono su un elettrone, e il movimento dell’elettrone converte l’energia tra due diverse forme d’onda: longitudinale e trasversale.