Wat is kwantum?

Achtergrond

De definitie van kwantum van Dictionary.com is “de kleinste hoeveelheid stralingsenergie, gelijk aan de constante van Planck maal de frequentie van de bijbehorende straling”. Deze definitie verwijst in wezen naar de vergelijking van de Planck-relatie (E=hf) die werd gedefinieerd door Max Planck. Hij zou later in 1918 de Nobelprijs winnen voor zijn werk over energiekwanta.

Wat Planck ontdekte was dat fotonen (waaronder licht) “bundels” energie zijn, zoals hij het noemde, en geen continue golf. Talrijke natuurkundigen noemden deze bundel energie begin 1900 quanta (meervoud van quantum) en nu wordt er gewoonlijk op deze manier naar verwezen.

Wanneer fotonen in golven reizen, zijn het discrete bundels energie – quantum. Wanneer een elektron zich in een baan rond een atoom bevindt, bevindt het zich op quantum-energieniveaus. Het elektron kan zich alleen in bepaalde banen (energieniveaus) bevinden. Wanneer het elektron van de ene baan naar de andere overgaat, wordt dit een kwantumsprong genoemd. Het verband tussen het elektron in een atoom dat zich op kwantumenergieniveaus bevindt, en het foton dat kwantumpakketjes energie zijn, is niet verrassend. Door de overgang van het elektron naar lagere banen ontstaat een foton.

Uitleg

Kwantum is moeilijk te begrijpen omdat de huidige uitleg van de subatomaire wereld heel anders is dan die van de wereld groter dan het atoom. Momenteel gelooft men dat de kwantumwereld een andere set regels heeft in het universum. Maar met een kleine verandering in onze manier van denken, wordt de brug tussen de kwantumwereld en de wereld waarin wij zien duidelijk. Beiden leven volgens dezelfde natuurkundige regels.

Om onze manier van denken te veranderen, moeten we bedenken dat het proton zowel een aantrekkende lading als een afstotende lading heeft. De componenten van het proton en hoe dit kan gebeuren, wordt gepresenteerd op een pagina met uitleg over het proton. Het is nog steeds moeilijk te begrijpen, dus zal een analogie worden gebruikt om kwantum uit te leggen.

Stel je een föhn en een pingpongbal voor. De föhn staat op lage snelheid en naar boven gericht en een pingpongbal wordt in de luchtstroom geplaatst die naar boven blaast. De pingpongbal trilt en nestelt zich dan in de lucht. De pingpongbal wordt door de zwaartekracht naar de grond getrokken, maar door de geforceerde lucht van de föhn blijft hij in de lucht zweven. Dit experiment kan thuis worden uitgeprobeerd. Een voorbeeld is het volgende…

In de analogie is de pingpongbal een elektron in een baan om een enkel proton. Het proton heeft een aantrekkende kracht (de zwaartekracht van de aarde in dit geval) en een afstotende kracht (gedwongen lucht). Het misverstand over het proton en deze eigenschap van aantrekkelijk en afstotend zijn is wat leidt tot de verwarring van quantum.

Voordat quantum wordt uitgelegd aan de hand van de energiegolftheorie, worden nog een paar scenario’s gegeven voor het pingpongbal-experiment om orbitalen te begrijpen:

• Stel je voor dat hetzelfde experiment wordt uitgevoerd op een zwaardere planeet met een sterkere zwaartekracht. Het pingpongballetje zal zich dichter bij de föhn bevinden als het zich op zijn plaats zet. Dit is het equivalent van meer protonen in een atoom.
• Stel je hetzelfde experiment voor met de föhn op de hoge stand (in plaats van de lage stand). De sterkere lucht dwingt het pingpongballetje verder omhoog, maar er zijn maar bepaalde standen op de föhn. Dit is het equivalent van meer protonen op één lijn in het atoom die orbitale sprongen veroorzaken.
• Stel je hetzelfde experiment voor met extra föhns gericht op het pingpongballetje vanuit andere hoeken en afstanden. Hierdoor zal het pingpongballetje een nieuwe plaats krijgen waar het kan rusten. Dit is het equivalent van extra elektronen in het atoom die afstotende krachten hebben, waardoor de orbitale afstanden veranderen.

Atoom Orbitaal – Kwantum Energieniveaus

De pingpongbal scenario’s zijn de beste manier om de krachten van een elektron in een atoom te verklaren. Er is voldoende bewijs voor dit model vanuit de energiegolftheorie: 1) de structuur van het proton komt overeen met bètaverval-experimenten, 2) baanafstanden zijn nauwkeurig berekend, en 3) elektron-ionisatie-energieën zijn berekend voor de eerste twintig elementen. Een voorbeeld van het atoom en de aantrekkende kracht (F1) en afstotende kracht (F2) is hieronder afgebeeld. Het punt waar de krachten gelijk zijn wordt een orbitaal. Elke orbitaal heeft een bijbehorend energieniveau dat overeenkomt met de aantrekkelijke, elektrische kracht voor het elektron op die afstand.

Atomaire Orbitaal

De verklaring van het proton lost slechts één deel van het quantummysterie op. Het verklaart hoe een elektron in een baan rond een proton blijft terwijl het dat niet doet voor een positron. Het verklaart hoe een stabiel atoom verschillende banen kan hebben, afhankelijk van de configuratie van zijn kern. Maar het verklaart (nog) niet het foton.

Fotonenemissie – Kwantumenergie

Energie blijft altijd behouden, maar verandert van vorm. Wanneer een elektron wordt gevangen in een baan die dichter bij de atoomkern ligt, gaat het trillen en creëert het een transversale golf. Het brengt longitudinale golfenergie over in transversale golfenergie. Het foton is een transversale golf. Wanneer het uit een elektron in een atoom ontstaat, is het een kortstondige trilling en wordt het dus een discreet pakketje (kwantum) van transversale golfenergie. Dit is het foton en zijn eigenschappen kunnen in de energiegolftheorie worden gemodelleerd met een transversale energievergelijking, waarbij de gewonnen energie precies gelijk is aan de verloren energie in de berekening met de longitudinale energievergelijking.

Een elektron kan van buiten het atoom worden gevangen, of het kan van baan veranderen, zoals in de onderstaande illustratie. Maar zoals uitgelegd in de structuur van het proton in het ping pong balletje voorbeeld, zijn er specifieke afstanden waar de krachten nul zullen zijn die op het elektron werken, afhankelijk van het aantal protonen en de plaatsing van andere elektronen in het atoom. Hieronder staat een van de voorbeelden van het ontstaan van het foton uit de trilling van het elektron.

Absorptie van fotonen – Absorptie van quantum-energie

De quantum-energie van het foton kan ook worden geabsorbeerd, waarbij transversale golfenergie weer wordt omgezet in longitudinale golfenergie. De details over hoe fotonen met specifieke frequenties door elektronen worden geabsorbeerd staan op de foton interacties pagina. In het kort, transversale golven veroorzaken een snellere spin van het elektron, waardoor de longitudinale golfamplitude tussen de kern toeneemt. Dit dwingt het elektron weg van de kern, maar het keert uiteindelijk terug naar de grondtoestand omdat de amplitudetoename tijdelijk is.

Kwantum zou geen mysterieus verschijnsel moeten zijn dat alleen geldt voor subatomaire deeltjes. De energieniveaus zijn het resultaat van meervoudige krachten in het atoom die op een elektron werken, en de beweging van het elektron zet energie om tussen twee verschillende golfvormen: longitudinaal en transversaal.