Kvantittuminen

Wikipedia

Kvantittuminen merkitsee ilmiötä, jossa fysikaalinen suure kuten energia tai spin voi saada vain diskreettejä arvoja jatkuvan jakauman sijaan, tai se ilmenee vain tietyn suuruisina paketteina, kvantteina.

Pohjan teorialle kvantittumisesta loi saksalainen fyysikko Max Planck, joka tutki vuosisadan alussa mustan kappaleen säteilyä. Musta kappale tarkoittaa säteilylähdettä, joka absorboi kaiken siihen osuvan säteilyn ilman heijastuksia, kuten musta pinta kaiken valon. Kun kappale lämmitetään kuumaksi, se säteilee eri aallonpituuksilla tietyllä jakaumalla, jonka laskemiseen tunnettiin kaksi kaavaa. Ongelmana oli, että Wilhelm Wienin vuonna 1894 keksimä Wienin siirtymälakina tunnettu kaava toimi tarkasti korkeissa lämpötiloissa, jolloin kappaleen säteily oli suurienergiaista ja lyhytaaltoista, kun taas Rayleigh-Jeansin lakina tunnettu klassisesta mekaniikasta johdettu kaava toimi hyvin matalilla lämpötiloilla. Max Planck sai yhdistettyä nämä kaavat matemaattisesti ja kertoi tuloksestaan lokakuussa 1900 Berliinissä pitämässään esitelmässä.

Ongelmana oli vain selitys havaitulle ilmiölle, jonka Planck esitti seuraavassa Saksan fyysikkoseuran kokouksessa joulukuussa: jostain tuntemattomasta syystä kappaleen seinien värähtelijät eli atomit luovuttavat ja vastaanottavat energiaa vain tietynkokoisina paketteina, kvantteina, joiden energia on nhv (jossa v on taajuus ja n = 1, 2, 3, ...). Vakiolle h joka nimettiin Planckin vakioksi on mitattu arvo h=6,626069×10^-34 J·s. Planck sai energiakvantin keksimisestä Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 1918.

Vuonna 1905 Albert Einstein tutki Heinrich Hertzin vuonna 1887 keksimää valosähköistä ilmiötä, jossa metallista irtoaa elektroneja kun sitä valaistaan tietyn aallonpituuden alittavalla valolla. Einstein keksi että tuleva valo absorboituu kvantteina, ja vain tietyn energian ylittävä valopaketti, fotoni, pystyy irrottamaan elektronin metallista. Tämä oli mielenkiintoinen ajatus, koska Thomas Young oli osoittanut jo 1803, että valon taipuminen hilassa todistaa sen olevan aaltoliikettä. Valon täytyy siis olla yhtä aikaa aaltoliikettä ja hiukkasia. (Katso: aalto-hiukkas-dualismi)