Ce este Quantum?

Principiu

Definiția cuantică din Dictionary.com este „cea mai mică cantitate de energie radiantă, egală cu constanta lui Planck înmulțită cu frecvența radiației asociate”. Această definiție se referă în esență la ecuația relației Planck (E=hf) care a fost definită de Max Planck. Ulterior, acesta a câștigat premiul Nobel în 1918 pentru lucrările sale privind cuantele de energie.

Ce a descoperit Planck a fost că fotonii (inclusiv lumina) sunt „pachete” de energie, așa cum a numit-o el, și nu o undă continuă. Numeroși fizicieni se refereau la acest pachet de energie ca fiind cuante (pluralul lui quantum) la începutul anilor 1900 și acum este denumit în mod obișnuit în acest fel.

Când fotonii se deplasează în valuri, ei sunt pachete discrete de energie – cuante. Atunci când un electron se află pe orbită în jurul unui atom, acesta se găsește la niveluri de energie cuantică. Electronul se poate afla doar la orbite (niveluri de energie) specificate. Atunci când electronul trece de la un orbital la altul, se face referire la un salt cuantic. Relația dintre electronul dintr-un atom care se află la niveluri de energie cuantică și fotonul care reprezintă pachete cuantice de energie nu este surprinzătoare. Tranziția electronului către orbite inferioare este ceea ce creează un foton.

Explicație

Cuantitatea este dificil de înțeles deoarece explicația actuală a lumii subatomice este foarte diferită de lumea mai mare decât atomul. În prezent se crede că lumea cuantică are un set diferit de reguli în univers. Cu toate acestea, cu o ușoară schimbare în modul nostru de gândire, puntea dintre lumea cuantică și lumea în care vedem noi devine evidentă. Ambele trăiesc după aceleași reguli ale fizicii.

Pentru a ne schimba modul de gândire, trebuie să considerăm că protonul are atât o sarcină de atracție, cât și una de respingere. Componentele protonului și modul în care acest lucru se poate întâmpla sunt prezentate într-o pagină care explică protonul. Este încă dificil de înțeles, așa că se va folosi o analogie pentru a explica cuantic.

Imaginați-vă un uscător de păr și o minge de ping-pong. Uscătorul de păr este la viteză mică și îndreptat în sus, iar o minge de ping-pong este plasată în curentul de aer care suflă în sus. Mingea de ping-pong vibrează și apoi se așează în poziție în mijlocul aerului. Mingea de ping-pong este atrasă de sol de forța de gravitație, dar aerul forțat de la uscătorul de păr o menține suspendată în aer. Acest experiment poate fi încercat acasă. Un exemplu este următorul…

În analogie, mingea de ping-pong este un electron aflat pe o orbită în jurul unui singur proton. Protonul are o forță de atracție (gravitația Pământului în acest caz) și o forță de respingere (aerul forțat). Înțelegerea greșită a protonului și a acestei proprietăți de a fi atractiv și respingător este ceea ce duce la confuzia cuantică.

Înainte de a explica cuantica cu ajutorul teoriei undelor de energie, mai sunt oferite câteva scenarii pentru experimentul cu mingea de ping-pong pentru a înțelege orbitele:

• Imaginați-vă același experiment realizat pe o planetă mai grea, cu o gravitație mai puternică. Mingea de ping-pong va fi mai aproape de uscătorul de păr atunci când se așează în poziție. Acest lucru este echivalentul mai multor protoni într-un atom.
• Imaginați-vă același experiment cu uscătorul de păr pe setarea înaltă (în loc de cea joasă). Aerul mai puternic forțează mingea de ping-pong mai sus, dar există doar anumite setări ale uscătorului de păr. Acest lucru este echivalentul mai multor protoni aliniați în atom care provoacă salturi orbitale.
• Imaginați-vă același experiment cu uscătoare de păr suplimentare îndreptate spre mingea de ping-pong din alte unghiuri și distanțe. Aceasta va face ca mingea de ping-pong să aibă o nouă locație în care se poate odihni. Acest lucru este echivalentul unor electroni suplimentari în atom care au forțe de respingere, schimbând distanțele orbitale.

Orbitalul atomic – Nivele de energie cuantică

Scenariile cu mingea de ping-pong sunt cel mai bun mod de a explica forțele unui electron într-un atom. Există suficiente dovezi ale acestui model din teoria undelor de energie: 1) structura protonului se potrivește cu experimentele de dezintegrare beta, 2) distanțele orbitale au fost calculate cu exactitate și 3) energiile de ionizare a electronilor au fost calculate pentru primele douăzeci de elemente. Un exemplu de atom și de forță de atracție (F1) și forță de respingere (F2) este ilustrat mai jos. Punctul în care forțele sunt egale devine un orbital. Fiecărui orbital i se asociază un nivel de energie care corespunde forței atractive, electrice, pentru electronul aflat la distanța respectivă.

Orbitalul atomic

Explicația protonului rezolvă doar o parte a misterului cuantic. Ea explică modul în care un electron rămâne pe orbită în jurul unui proton, când nu face același lucru în cazul unui pozitron. Ea explică modul în care un atom stabil poate avea orbitali diferiți în funcție de configurația nucleului său. Dar nu a explicat (încă) fotonul.

Emisia de fotoni – Crearea energiei cuantice

Energia se conservă întotdeauna, dar își schimbă formele. Atunci când un electron este capturat pe o orbitală mai apropiată de nucleul atomic, acesta vibrează și creează o undă transversală. Acesta transferă energia de undă longitudinală în energie de undă transversală. Fotonul este o undă transversală. Atunci când este creat de un electron într-un atom, este o vibrație de scurtă durată, devenind astfel un pachet discret (cuantic) de energie de undă transversală. Acesta este fotonul, iar proprietățile sale pot fi modelate în teoria undelor de energie cu o ecuație a energiei transversale, în care energia obținută este exact egală cu energia pierdută în calculul care utilizează ecuația energiei longitudinale.

Un electron poate fi capturat din afara atomului sau poate trece de la un orbital la altul, așa cum se vede în ilustrația de mai jos. Dar, așa cum s-a explicat în structura protonului din exemplul mingii de ping-pong, există distanțe specifice la care forțele care acționează asupra electronului vor fi zero, în funcție de numărul de protoni și de plasarea altor electroni în atom. Mai jos este unul dintre exemplele de creare a fotonului din vibrația electronului.

Absorbția fotonului – Absorbția energiei cuantice

Energia cuantică a fotonului poate fi, de asemenea, absorbită, transformând energia undelor transversale înapoi în energie a undelor longitudinale. Detaliile privind modul în care fotonii la anumite frecvențe sunt absorbiți de către electroni sunt prezentate în pagina interacțiuni fotonice. Pe scurt, undele transversale determină o rotație mai rapidă a electronului, crescând amplitudinea undelor longitudinale între nucleu. Acest lucru forțează electronul să se îndepărteze de nucleu, dar în cele din urmă acesta revine la starea fundamentală, deoarece câștigul de amplitudine este temporar.

Cuantitatea nu ar trebui să fie un fenomen misterios care se aplică doar particulelor subatomice. Nivelurile de energie sunt rezultatul forțelor multiple din atom care acționează asupra unui electron, iar mișcarea electronului convertește energia între două forme de undă diferite: longitudinală și transversală.

.