Vad är Quantum?

Bakgrund

Definitionen av kvantum från Dictionary.com är ”den minsta mängden strålningsenergi som är lika med Plancks konstant gånger frekvensen för den tillhörande strålningen”. Denna definition hänvisar i huvudsak till ekvationen Planckrelationen (E=hf) som definierades av Max Planck. Han vann senare Nobelpriset 1918 för sitt arbete om energikvanter.

Vad Planck upptäckte var att fotoner (inklusive ljus) är ”buntar” av energi, som han kallade det, och inte en kontinuerlig våg. Många fysiker hänvisade till detta energibundel som kvanta (plural av kvantum) i början av 1900-talet och nu är det vanligt att man hänvisar till det på detta sätt.

När fotoner färdas i vågor är de diskreta energibundelar – kvantum. När en elektron befinner sig i en omloppsbana runt en atom befinner den sig på kvantenerginivåer. Elektronen kan endast befinna sig på bestämda banor (energinivåer). När elektronen övergår mellan orbitaler kallas det för ett kvantsprång. Sambandet mellan att elektronen i en atom befinner sig på kvotenerginivåer och att fotonen är kvantpaket av energi är inte förvånande. Elektronens övergång till lägre orbitaler är det som skapar en foton.

Förklaring

Kvantum är svårt att förstå eftersom den nuvarande förklaringen av den subatomära världen är mycket annorlunda än världen större än atomen. Man tror för närvarande att kvantvärlden har en annan uppsättning regler i universum. Men med en liten förändring i vårt sätt att tänka blir bryggan mellan kvantvärlden och den värld vi ser uppenbar. Båda lever efter samma fysikaliska regler.

För att ändra vårt sätt att tänka måste vi tänka på att protonen har både en attraktiv laddning och en repellerande laddning. Protonens beståndsdelar och hur detta kan ske presenteras på en sida som förklarar protonen. Det är fortfarande svårt att förstå, så en analogi kommer att användas för att förklara kvantum.

Föreställ dig en fön och en pingisboll. Fönen står på låg hastighet och pekar uppåt och en pingisboll placeras i luftströmmen som blåser uppåt. Pingpongbollen vibrerar och sätter sig sedan på plats mitt i luften. Pingpongbollen dras till marken av gravitationskraften, men den forcerade luften från fönen håller den svävande i luften. Det här experimentet kan göras hemma. Ett exempel är följande…

I analogin är pingpongbollen en elektron som befinner sig i en omloppsbana runt en enda proton. Protonen har en attraherande kraft (jordens gravitation i det här fallet) och en avstötande kraft (tvångsluft). Missförståndet kring protonen och denna egenskap att vara attraktiv och repellerande är det som leder till förvirringen kring kvantum.

För att förklara kvantum med hjälp av energivågsteorin ges ytterligare några scenarier för pingpongbollsexperimentet för att förstå omloppsbanor:

• Föreställ dig samma experiment utfört på en tyngre planet med starkare gravitation. Pingpongbollen kommer att befinna sig närmare fönstren när den sätter sig på plats. Detta motsvarar fler protoner i en atom.
• Föreställ dig samma experiment med fönen på hög inställning (i stället för låg inställning). Den starkare luften tvingar upp pingisbollen längre upp, men det finns bara vissa inställningar på fönen. Detta motsvarar att fler protoner i linje i atomen orsakar banhopp.
• Föreställ dig samma experiment med ytterligare fönar riktade mot pingisbollen från andra vinklar och avstånd. Det kommer att leda till att pingisbollen får en ny plats där den kan vila. Detta motsvarar ytterligare elektroner i atomen som har avstötande krafter och ändrar banavstånd.

Atomära banavstånd – kvantenerginivåer

Pingpongbollsscenarierna är det bästa sättet att förklara krafterna hos en elektron i en atom. Det finns tillräckliga bevis för denna modell från energivågsteorin: 1) protonens struktur stämmer överens med betasönderfallsexperiment, 2) banavstånden har beräknats noggrant och 3) elektronernas joniseringsenergier har beräknats för de tjugo första grundämnena. Ett exempel på atomen och den attraktiva kraften (F1) och den repulsiva kraften (F2) illustreras nedan. Den punkt där krafterna är lika stora blir ett orbital. Varje orbital har en tillhörande energinivå som matchar den attraktiva, elektriska kraften för elektronen på det avståndet.

Atomens orbital

Protonens förklaring löser bara en del av kvantmysteriet. Den förklarar hur en elektron håller sig i omloppsbana runt en proton när den inte gör detsamma för en positron. Den förklarar hur en stabil atom kan ha olika banor beroende på kärnans konfiguration. Men den har (ännu) inte förklarat fotonen.

Fotonemission – att skapa kvantenergi

Energin är alltid bevarad men den ändrar form. När en elektron fångas in i en orbital närmare atomkärnan vibrerar den och skapar en tvärgående våg. Den överför longitudinell vågenergi till transversell vågenergi. Fotonen är en tvärgående våg. När den skapas från en elektron i en atom är den en kortlivad vibration och blir därför ett diskret paket (kvant) av transversalvågsenergi. Detta är fotonen och dess egenskaper kan modelleras i energivågsteorin med en tvärvågsekvation, där den tillförda energin är exakt lika stor som den förlorade energin i beräkningen med hjälp av den longitudinella energiveckan.

En elektron kan fångas in från utsidan av atomen, eller så kan den växla mellan orbitaler, som i illustrationen nedan. Men som förklaras i protonens struktur i pingisbollsexemplet finns det specifika avstånd där krafterna blir noll som verkar på elektronen, beroende på antalet protoner och placeringen av andra elektroner i atomen. Nedan visas ett av exemplen på skapandet av fotonen från elektronens vibration

Fotonabsorption – Absorberande av kvotenergi

Fotonens kvotenergi kan också absorberas, vilket omvandlar tvärgående vågenergi tillbaka till longitudinell vågenergi. Detaljerna om hur fotoner vid specifika frekvenser absorberas av elektroner finns på sidan om fotoninteraktioner. I korthet orsakar tvärgående vågor ett snabbare spinn hos elektronen, vilket ökar amplituden för longitudinella vågor mellan atomkärnan. Detta tvingar elektronen bort från kärnan, men den återgår så småningom till grundtillståndet eftersom amplitudförstärkningen är tillfällig.

Kvantum bör inte vara ett mystiskt fenomen som bara gäller för subatomära partiklar. Energinivåerna är ett resultat av att flera krafter i atomen verkar på en elektron, och elektronens rörelse omvandlar energin mellan två olika vågformer: longitudinell och transversell.