Co to jest kwant?

Tło

Definicja kwantu ze strony Dictionary.com to „najmniejsza ilość energii promieniowania, równa stałej Plancka razy częstotliwość związanego z nią promieniowania”. Definicja ta odnosi się zasadniczo do równania zależności Plancka (E=hf), które zostało zdefiniowane przez Maxa Plancka. Później zdobył on nagrodę Nobla w 1918 roku za swoją pracę nad kwantami energii.

To, co odkrył Planck, to fakt, że fotony (w tym światło) są „wiązkami” energii, jak to nazwał, a nie ciągłą falą. Wielu fizyków odnosiło się do tych wiązek energii jako kwantów (liczba mnoga od quantum) we wczesnych latach 1900 i teraz jest to powszechnie określane w ten sposób.

Gdy fotony podróżują w falach, są one dyskretnymi wiązkami energii – kwantami. Kiedy elektron jest na orbicie wokół atomu, znajduje się na kwantowych poziomach energetycznych. Elektron może znajdować się tylko na określonych orbitalach (poziomach energetycznych). Kiedy elektron przechodzi pomiędzy orbitalami, określa się to mianem skoku kwantowego. Związek pomiędzy elektronem w atomie znajdującym się na kwantowych poziomach energetycznych, a fotonem będącym kwantowym pakietem energii, nie jest zaskakujący. Przejście elektronu na niższe orbitale jest tym, co tworzy foton.

Wyjaśnienie

Kwant jest trudny do zrozumienia, ponieważ obecne wyjaśnienie świata subatomowego jest bardzo różne od świata większego niż atom. Obecnie uważa się, że świat kwantowy ma inny zestaw reguł we wszechświecie. Jednakże, przy niewielkiej zmianie w naszym sposobie myślenia, most pomiędzy światem kwantowym a światem, który widzimy staje się widoczny. Oba żyją według tych samych zasad fizyki.

Aby zmienić nasz sposób myślenia, musimy wziąć pod uwagę, że proton ma zarówno ładunek przyciągający, jak i odpychający. Składniki protonu i to, jak może do tego dochodzić, przedstawia strona wyjaśniająca proton. Jest to nadal trudne do zrozumienia, więc analogia zostanie użyta do wyjaśnienia kwantu.

Wyobraźmy sobie suszarkę i piłkę pingpongową. Suszarka jest na niskich obrotach i skierowana w górę, a piłeczka pingpongowa jest umieszczona w strumieniu powietrza wydmuchiwanego w górę. The ping pong piłka wibruje i wtedy osiedla w pozycję w mid-air. Piłeczka pingpongowa jest przyciągana do ziemi przez siłę grawitacji, ale wymuszone powietrze z suszarki utrzymuje ją zawieszoną w powietrzu. Ten eksperyment można przeprowadzić w domu. Przykład jest następujący…

W analogii, piłeczka pingpongowa jest elektronem na orbicie wokół pojedynczego protonu. Na proton działa siła przyciągająca (w tym przypadku grawitacja Ziemi) oraz siła odpychająca (wymuszone powietrze). Niezrozumienie protonu i tej właściwości przyciągania i odpychania jest tym, co prowadzi do zamieszania w kwantach.

Przed wyjaśnieniem kwantu za pomocą teorii fal energii, kilka scenariuszy jest podanych dla eksperymentu z piłeczką pingpongową, aby zrozumieć orbitale:

• Wyobraźmy sobie ten sam eksperyment przeprowadzony na cięższej planecie z silniejszą grawitacją. Piłeczka pingpongowa będzie bliżej suszarki, kiedy ustawi się na swoim miejscu. Jest to odpowiednik większej ilości protonów w atomie.
• Wyobraź sobie ten sam eksperyment z suszarką na wysokim ustawieniu (zamiast na niskim). Silniejsze powietrze zmusza piłkę pingpongową dalej, ale są tylko pewne ustawienia na suszarce. Jest to odpowiednik więcej protonów w wyrównaniu w atomie powodując skoki orbitalne.
• Wyobraź sobie ten sam eksperyment z dodatkowymi suszarkami skierowanymi na piłkę pingpongową z innych kątów i odległości. Spowoduje to, że piłeczka pingpongowa będzie miała nową lokalizację, w której może odpocząć. Jest to odpowiednik dodatkowych elektronów w atomie, które mają siły odpychające, zmieniające odległości orbitalne.

Orbital atomowy – Kwantowe Poziomy Energii

Scenariusze piłeczki pingpongowej są najlepszym sposobem wyjaśnienia sił elektronu w atomie. Istnieje wystarczaj±cy dowód na istnienie tego modelu z teorii fal energetycznych: 1) struktura protonu pasuje do eksperymentów rozpadu beta, 2) odległo¶ć orbitali została dokładnie obliczona, 3) energie jonizacji elektronów zostały obliczone dla pierwszych dwudziestu pierwiastków. Przykład atomu oraz siły przyciągającej (F1) i odpychającej (F2) jest zilustrowany poniżej. Punkt, w którym siły są równe staje się orbitalem. Każdy orbital ma przypisany poziom energetyczny odpowiadający atrakcyjnej, elektrycznej sile dla elektronu w tej odległości.

Orbital atomu

Wyjaśnienie protonu rozwiązuje tylko jedną część kwantowej tajemnicy. Wyjaśnia, jak elektron pozostaje na orbicie wokół protonu, gdy nie robi tego samego dla pozytonu. Wyjaśnia, jak stabilny atom może mieć różne orbitale w zależności od konfiguracji jego jądra. Ale nie wyjaśnia (jeszcze) fotonu.

Emisja fotonu – tworzenie energii kwantowej

Energia jest zawsze zachowana, ale zmienia formy. Kiedy elektron jest wychwytywany na orbitalu bliższym jądru atomowemu, wibruje i tworzy falę poprzeczną. Przenosi energię fali podłużnej na energię fali poprzecznej. Foton jest falą poprzeczną. Gdy powstaje z elektronu w atomie, jest krótkotrwałym drganiem, a więc staje się dyskretnym pakietem (kwantem) energii fali poprzecznej. To jest właśnie foton i jego własności mogą być modelowane w teorii falowej energii za pomocą równania energii poprzecznej, w którym energia uzyskana jest dokładnie równa energii utraconej w obliczeniach z użyciem równania energii podłużnej.

Elektron może być przechwycony spoza atomu, lub może przechodzić między orbitalami, jak na ilustracji poniżej. Ale jak wyjaśniono w strukturze protonu w przykładzie z piłeczką pingpongową, istnieją określone odległości, w których siły działające na elektron będą równe zeru, w zależności od liczby protonów i rozmieszczenia innych elektronów w atomie. Poniżej jeden z przykładów powstawania fotonu z drgań elektronu.

Absorpcja fotonu – pochłanianie energii kwantowej

Energia kwantowa fotonu może być również pochłaniana, zamieniając energię fali poprzecznej z powrotem na energię fali podłużnej. Szczegóły na temat tego jak fotony o określonych częstotliwościach są absorbowane przez elektrony są podane na stronie poświęconej oddziaływaniom fotonów. W skrócie, fale poprzeczne powodują szybszy spin elektronu, zwiększając amplitudę fali podłużnej pomiędzy jądrem a elektronem. To zmusza elektron do oddalenia się od jądra, ale w końcu wraca on do stanu podstawowego, ponieważ przyrost amplitudy jest chwilowy.

Quantum nie powinno być tajemniczym zjawiskiem, które dotyczy tylko cząstek subatomowych. Poziomy energetyczne są wynikiem działania wielu sił w atomie na elektron, a ruch elektronu zamienia energię pomiędzy dwoma różnymi formami fal: podłużną i poprzeczną.