Najmniejsza porcja energii — kwant

Najmniejsza porcja energii to kwant. Pojęcie wprowadził Max Planck w 1900 roku, zapoczątkowując fizykę kwantową.

Czym jest kwant

Energia nie jest przekazywana dowolnie małymi ilościami, lecz porcjami o określonej wielkości. Kwant promieniowania elektromagnetycznego nazywa się fotonem.

Wielkość porcji zależy od częstotliwości promieniowania i wyraża się wzorem E = h · f, gdzie h to stała Plancka. Im wyższa częstotliwość, tym większa energia pojedynczego kwantu.

Skąd wzięło się to pojęcie

Fizyka klasyczna nie potrafiła wyjaśnić, jak nagrzane ciało wypromieniowuje energię. Obliczenia dawały wynik rosnący bez ograniczeń, co przeczyło obserwacjom.

Planck założył, że energia jest wypromieniowywana porcjami, i otrzymał wzór zgodny z pomiarem. Sam traktował to początkowo jako chwyt rachunkowy, a nie opis rzeczywistości — dopiero Einstein wykazał, że porcje energii istnieją naprawdę.

Zjawisko fotoelektryczne

Światło padające na metal wybija z niego elektrony, ale tylko wtedy, gdy jego częstotliwość przekracza pewną wartość. Zwiększanie natężenia słabszego światła nie pomaga.

Fizyka klasyczna nie umiała tego wyjaśnić, bo według niej energia powinna się kumulować. Einstein wykazał, że elektron pochłania jeden foton naraz — jeśli ten niesie za mało energii, nic się nie stanie, choćby fotonów było bardzo dużo. Za to wyjaśnienie otrzymał Nagrodę Nobla.

Skala zjawisk kwantowych

Stała Plancka jest ogromnie mała, dlatego porcjowanie energii nie jest widoczne w codziennym doświadczeniu. Piłka może mieć praktycznie dowolną energię, bo kolejne dozwolone wartości różnią się nieodczuwalnie.

Efekty kwantowe ujawniają się dopiero w skali atomów, gdzie różnice między poziomami energii są znaczące. To wyjaśnia, dlaczego fizyka klasyczna sprawdza się w świecie widzialnym mimo że jest tylko przybliżeniem.

Dualizm korpuskularno-falowy

Światło zachowuje się raz jak fala, raz jak strumień cząstek. Przy zjawisku ugięcia i interferencji ujawnia naturę falową, a przy zjawisku fotoelektrycznym cząsteczkową.

Nie oznacza to sprzeczności, lecz ograniczenie obu opisów. Żaden z nich nie oddaje w pełni natury światła — obydwa są przybliżeniami sięgającymi po pojęcia znane z codziennego doświadczenia, które w skali atomowej przestają wystarczać.

Inne wielkości skwantowane

• Ładunek elektryczny — wielokrotność ładunku elementarnego
• Energia elektronu w atomie — tylko określone poziomy
• Moment pędu — również przyjmuje wartości nieciągłe

Skwantowanie energii elektronu tłumaczy, dlaczego pierwiastki emitują światło o ściśle określonych barwach. Każde przejście między poziomami odpowiada fotonowi o konkretnej energii, a więc konkretnej barwie — na tym opiera się analiza widmowa, pozwalająca ustalić skład chemiczny odległych gwiazd.