Tento článok predstavuje prístupné, menej technické uvedenie do danej problematiky. Pre hlavný článok o tejto téme pozri Kvantová mechanika
Kvantová mechanika je súbor vedeckých princípov, ktoré popisujú správanie hmoty a jej interakcie s energiou na úrovni atómov a elementárnych častíc.
Klasická fyzika popisuje hmotu a energiu na makroskopickej úrovni, ktorá zodpovedá každodenným ľudským skúsenostiam, vrátane astronomických telies. Aj keď je klasická fyzika kľúčová pre väčšinu moderných vied a technológií, tak na konci 19. storočia boli objavené makroskopické aj mikroskopické fyzikálne javy, ktoré klasická fyzika nedokáže vysvetliť. Práve tieto obmedzenia viedli k vzniku veľkej revolúcie vo fyzike, kvantovej fyzike.Classical physics also does not accurately describe the universe on the largest scales or at speeds close to that of light. An accurate description requires general relativity. Tento článok popisuje objavenie týchto obmedzení vývoju základných konceptov kvantovej mechaniky.[http://www.pbs.org/transistor/science/info/quantum.html Quantum Mechanics from National Public Radio
Mnoho druhov energie, ako napr. fotóny (diskrétne kvantá svetla), sa správajú v niektorých prípadoch ako častice a v iných ako vlnenie. Emisné spektrum objektov vyžarujúcich fotóny je nespojité a obsahuje iba určité frekvencie. Kvantová mechanika dokáže predpovedať energie, farby a spektrálne intenzity všetkých foriem elektromagnetického žiarenia.
Kvantová mechanika pracuje s princípom neurčitosti, (platí že čím presnejšie zmeriame jednu veličinu (napr. presnú pozíciu častice), tým nepresnejší bude výsledok iného merania tej istej častice (napr. hybnosť). Samotné uskutočnenie merania ovplyvňuje výsledok merania.Alan Macdonald, "Spooky action at a distance: The puzzle of entanglement in quantum theory," page 5 of 7, downloaded 13 June 2012 from http://faculty.luther.edu/~macdonal/
Prvá kvantová teória: Max Planck a žiarenie absolútne čierneho telesa
Tepelné žiarenie je v podstate elektromagnetické žiarenie vyžarované povrchom telesa vďaka jeho teplote. Ak objekt dostatočne zahrejeme, tak začne vyžarovať svetlo v červenom konci spektra. Ďalšie zahrievanie spôsobí zmenu farby z červenej cez žltú a modrú až po bielu, pretože sa zvyšuje frekvencia vyžarovaného svetla (kratšia vlnová dĺžka). Vedci prišli na to, že dokonalý žiarič je zároveň aj dokonalý pohlcovač. Ak je takéto teleso chladné tak sa javí ako dokonale čierne, pretože pohlcuje všetko žiarenie, ktoré naň dopadá a žiadne nevyžaruje. Preto sa ideálny tepelný žiarič nazýva aj dokonale čierne teleso.
Tepelné žiarenie bolo na konci 19. storočia celkom dobre experimentálne charakterizované. Zmenu vlnovej dĺžky vyžarovaného svetla v závislosti na zmene teploty popisuje Wienov zákon. Celková vyžiarená energia na jednotku plochy je daná Stefan-Boltzmannovým zákonom. Napriek tomu klasická fyzika nedokázala vysvetliť vzťah medzi teplotou a vyžarovaným svetlom. Podľa klasickej fyziky by horúce teleso vyžarovalo nekonečné množstvá energie. Tento predpoklad je jasne nesprávny a nazýva sa ultrafialová katastrofa. To viedlo fyzikov k hľadaniu jedinej teórie, ktorá by vysvetlila získané experimentálne výsledky.
Prvý model schopný vysvetliť celé spektrum tepelného žiarenia predstavil v roku 1900 Max Planck.This result was published (in German) as . English translation: "On the Law of Distribution of Energy in the Normal Spectrum". Tepelné žiarenie v ekvilibriu modeloval pomocou sústavy harmonických oscilátorov. Pre dosiahnutie rovnakých výsledkov ako pri experimentoch musel predpokladať, že každý oscilátor produkoval celočíselný násobok jednotiek energie pri jedinej charakteristickej frekvencii. Pôvodný predpoklad bol, že oscilátor bol schopný produkovať ľubovoľné množstvá energie. Kvantum energie každého oscilátora bolo úmerné frekvencii oscilátora. Konštanta úmernosti známa ako Planckova konštanta (symbol-h) a má hodnotu 6,63 x 10 −34 J s. Takže energia E oscilátora s frekvenciou f je daná vzťahom
Planckov zákon predstavoval prvú kvantovú teóriu vo fyzike, za čo Planck obdržal v roku 1918 Nobelovu cenu za prínos rozvoju fyziky objavením kvanta energie. Planck sa domnieval, že kvantifikácia bol skôr čisto matematický trik, ako (ako vieme dnes) fundamentálnou zmenou v našom chápaní sveta.
Fotóny: Kvantá svetla Albert Einstein sa v roku 1905 odhodlal k neočakávanému kroku. Predpokladal, že kvantifikácia nie je len matematický trik, ale že energia svetelného lúča naozaj existuje v jednotlivých diskrétnych množstvách, ktoré dnes nazývame fotóny. , translated into English as On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light . The term "photon" was introduced in 1926. Potom je energia jedného fotónu daná jeho frekvenciou vynásobenou Planckovou konštantou:
Stáročia vedci diskutovali o dvoch možných teóriách popisujúcich svetlo: je to vlnenie alebo pozostáva z prúdu malých častíc? V priebehu 19. storočia sa táto diskusia všeobecne považovala za uzavretú v prospech vlnenia, pretože dokázala vysvetliť pozorované javy ako lom, difrakciu a polarizáciu. James Clerk Maxwell preukázal, že elektrina, magnetizmus a svetlo sú rôznymi prejavmi toho istého javu: elektromagnetického poľa. Maxwellove rovnice predstavujú úplnú sadu zákonov popisujúcich klasický elektromagnetizmus. Popisujú svetlo ako vlnenie, presnejšie kombináciu dvoch oscilujúcich polí a to elektrického a magnetického. Prevaha dôkazov v prospech vlnenia spôsobila, že Einsteinove myšlienky sa spočiatku stretávali s veľkým skepticizmom. Aj keď nakoniec prevážil fotónový model, v jeho prospech najviac prispela schopnosť vysvetliť niekoľko záhadných javov ako napr. fotoelektrický jav popísaný nižšie, tak vlnenie zostalo neoddeliteľnou súčasťou modelu, pretože pomáha pochopiť iné charakteristiky svetla napr. difrakcia.
Fotoelektrický jav
V roku 1887 Heinrich Hertz experimentálne zistil, že pomocou žiarenia je možné vyraziť elektrón z kovu. Philip Lenard v roku 1902 objavil, že maximálna možná energia takto vyrazeného elektrónu súvisí s frekvenciou žiarenia a nie s jeho intenzitou. Napr. ak by frekvencia žiarenia bola príliš nízka, tak elektróny zostanú na svojom miesta aj napriek zvyšujúcej sa intenzite. Najnižšia frekvencia žiarenia schopného spôsobiť vyrazenie elektrónu je rozličná pre rôzne látky a nazýva sa aj prahová frekvencia. Toto pozorovanie je v priamom rozpore s klasickým elektromagnetizmom, ktorý predpokladá, že energia elektrónu je úmerná intenzite žiarenia.Stephen Hawking, The Universe in a Nutshell, Bantam, 2001.
Einstein tento fakt vysvetlil tvrdením, že svetelný lúč je prúdom častíc (fotónov). To znamená, že ak má lúč frekvenciu f, tak potom sa energia každého fotónu rovná hf. Najpravdepodobnejšie je, že elektrón zasiahne len jediný fotón, ktorý odovzdá elektrónu energiu rovnú hf. Práve preto intenzita žiarenia nehrá úlohu a maximálna energia, ktorú odovzdá elektrónu, tak závisí iba na frekvencii žiarenia.
Prahový efekt Einstein vysvetlil tvrdením, že na vyrazenie elektrónu z kovu je potrebné určité množstvo energie označované symbolom φ. Toto množstvo energie je pre každý kov iné. Ak je energia fotónu menšia ako φ, potom fotón jednoducho nenesie dostatok energie na vyrazenie elektrónu. Prahová frekvencia, f0, je frekvenciou fotónu, ktorého energia je rovná φ:
Ak je väčsia ako , potom je dostatočná na vyrazenie elektrónu. Vyrazený elektrón bude mať kinetickú energiu K, ktorej maximum môže byť nanajvýš rovné energii fotónu po odrátaní energie potrebnej na vyrazenie elektrónu:
Einsteinov opis svetla ako prúdu častíc rozšíril Planckovu teóriu kvantifikovanej energie: jediný fotón s danou frekvenciou nesie nemenné množstvo energie . Inak povedané jednotlivé fotóny nikdy nenesú iné množstvo energie, ako to dané ich frekvenciou. Aj keď fotón je častica, tak súčasne nesie aj niektoré vlastnosti vlnenia. A časticová povaha žiarenia bola opäť raz spochybnená. Dicke and Wittke, Introduction to Quantum Mechanics, p. 12
A práve vzťah medzi frekvenciou elektromagnetického žiarenia a energiou jednotlivých fotónov je dôvod, prečo ultrafialové žiarenie môže spôsobiť spálenie pokožky, ale viditeľné a infračervené žiarenie nie. Fotón ultrafialového žiarenia nesie dostatočne veľké množstvo energie na to, aby spôsobil poškodenie bunky. Fotón infračerveného žiarenia nesie omnoho menšie množstvo energie dostatočné len na zohriatie pokožky. Takže infračervená lampa dokáže zohriať veľký povrch, dostatočne na to, aby zahriala ľudí v chlade, ale nikoho nespáli.
Ak by mal každý fotón identickú energiu, nemohli by sme hovoriť o vysokoenergetických fotónoch. Žiarenie s vysokou frekvenciou by nieslo viac energie iba preto, lebo by sme zaplavili povrch viacerými fotónmi dopadajúcimi za sekundu. Žiarenie s nízkou frekvenciou by mohlo niesť viac energie iba z toho istého dôvodu. Ak by bola pravda, že všetky fotóny nesú rovnaké množstvo energie, tak pri dvojnásobnom zvýšení počtu fotónov by sa zdvojnásobilo množstvo energie za každú sekundu. Einstein preferoval analýzu založenú na časticiach, kedy by energia častice bola absolútna a menila sa s frekvenciou v diskrétnych krokoch (tzn. že je kvantizovaná). Všetky fotóny s rovnakou frekvenciou nesú rovnakú energiu, a fotóny s rozdielnymi frekvenciami nesú úmerne rozdielnu energiu.
V prírode sa s jednotlivými fotónmi stretávame len zriedka. Slnko vyžaruje fotóny všetkých elektromagnetických frekvencií, a preto sa šíria ako postupné vlnenie a nie ako diskrétne jednotky.
Kvantá hmoty: Bohrov model atómu Začiatkom 20. storočia bolo známe, že atómy obsahujú rozptýlený mrak negatívne nabitých elektrónov obklopujúci malé, husté, pozitívne nabité jadro. Následkom čoho bol predpoklad modelu atómu, v ktorom elektróny krúžia okolo jadra, podobne ako planéty okolo slnka.The classical model of the atom is called the planetary model, or sometimes the Rutherford model after Ernest Rutherford who proposed it in 1911, based on the Geiger-Marsden gold foil experiment which first demonstrated the existence of the nucleus. Súčasne však bolo známe, že atóm v tejto podobe by bol nestabilný, pretože podľa klasickej teórie by obiehajúce elektróny podliehali dostredivému zrýchleniu a preto by mali vydávať elektromagnetické žiarenie. Táto strata energie by tiež spôsobila špirálový pohyb smerom k jadru a zrazili by sa s ním v zlomku sekundy.
Druhou súvisiacou záhadou bolo emisné spektrum atómov. Po zahriatí plyn vyžiaril svetlo iba s určitou frekvenciou. Napríklad viditeľné svetlo vyžiarené vodíkom pozostávalo zo štyroch rozličných farieb, ako je zobrazené na obrázku nižšie. Napriek tomu biele svetlo pozostáva z kontinuálnej emisie naprieč celým rozsahom viditeľných frekvencií.
V roku 1885 švajčiarsky matematik Johann Balmer, že každá vlnová dĺžka λ (lambda) vo viditeľnom spektre vodíka je celočíselným násobkom pôvodnej vlnovej dĺžky podľa vzťahu
kde B je konštantou rovnajúcou sa 364,56 nm. Tak sa Balmerova konštanta stala základom systému diskrétnych, kvantifikovaných, hodnôt.
Johannes Rydberg v roku 1888 zovšeobecnil a rozšíril využitie Balmerovej rovnice. Podľa Rydbergovej rovnice je λ závislá na dvoch celočíselnych hodnotách n a m:
kde R je Rydbergova konštanta s hodnotou 0,0110 nm−1 a n > m.
Rydbergova rovnica zahŕňa všetky štyri spektrálne čiary ak a . Tiež predpokladá ďalšie vlnové dĺžky emisného spektra pre a pre v ultrafialovej časti spektra a pre a pre infračervenú časť spektra. Experimentálne potvrdenie prišlo o dve desaťročia neskôr: infračervené vlnové dĺžky potvrdil v roku 1908 Louis Paschen a ultrafialové v roku 1914 Theodore Lyman.
Bohrov model