Kvant
Kvant, u fizici, označava nedeljivu, dakle, najmanju količinu energije koja se javlja u elementarnim procesima. Na primer, foton je kvant elektromagnetne interakcije, gluon jake interakcije, Z-bozon slabe interakcije, graviton (eksperimentalno još nedetektovan) kvant gravitacione interakcije. U širem smislu kvant označava elementarnu, dakle najmanju, jedinicu svake fizičke veličine. Tako je Borov magneton kvant magnetnog momenta, Plankova konstanta kvant momenta impulsa itd. Otkriće da je svet oko nas kvantne prirode predstavlja jedno od najvećih dostignuća moderne nauke. Stoga se kvant javlja u raznim aspektima prirodnih nauka gde je sastavni deo terminologije. Na primer postoje kvantna mehanika, kvantna hemija, kvantna elektronika, kvantna optika itd.
Reč kvant potiče od latinskog quantum (množina quanta) = količina, mnoštvo, svota, iznos, deo.
Razvoj kvantne teorije uredi
Kvantna teorija grana fizike koja se bavi kvantima i kvantizacijom, pojavila se 1900. godine kada je Maks Plank objavio teoriju kojom je objasnio emisioni spektar crnog tela. U tom radu Plank je koristio prirodni sistem fizičkih jedinica koji je predložio prethodne godine.
Kvantna jednačina zračenja crnog tela uredi
Zagrejano telo emituje toplotno zračenje (toplotu), dakle, elektromagnetno zračenje u infracrvenom domenu spektra. U to vreme sve je to bilo dobro poznato. Ako se telo i dalje zagreva onda počinje znatnije da emituje i vidljivo zračenje, prvo u crvenom delu spektra (crveno usijanje) a posle i u celom vidljivom opsegu (belo usijanje). Prethodnih godina zračenje crnog tela detaljno je ispitivano za šta su razvijeni i odgovarajući instrumenti.
Kvantna formula zračenja crnog tela, kao začetak kvantne mehanike, nastala je u nedelju uveče, 7. oktobra 1900. godine, kada je Plank na brzinu izveo svoje prve račune. Oni su zasnovani na izveštaju nemačkog fizičara Rubensa (koji je sa suprugom bio Planku u gostima)o najnovijim merenjima u infracrvenom domenu. Kasno iste večeri, Plank je dopisnicom poslao formulu Rubensu, koju je on dobio sledećeg dana. Nekoliko dana kasnije Rubens je izvestio Planka da se formula odlično slaže sa eksperimentom, kako tada tako i današnjih dana.
U prvi mah bila je to samo jednačna koja se odlično poklapa sa podacima. Tek nekoliko nedelja kasnije ispostavilo se da je za njeno izvođenje neophodna kvantizacija.
Za uvođenje kvantizacije trebalo je malo i sreće (ili veštine, mada je sam Plank to nazvao „srećnim nagađanjem interpolacione formule"). Ispostvilo se da je formula u osnovi korektna ali je njeno izvođenje imalo drastičan „sporedni efekat“ o nužnosti kvantizacije zračenja. To je bilo potpuno neočekivano. Plank je spretno spojio i pojednostavio postojeće formule. Ukratko, pred sobom je imao dva izraza:
- (i) iz prethodnih istraživanja u crvenom delu spektra imao je x;
- (ii) sada, iz novih infracrvenih podataka, dobio je x².
Njihovim spretnim kombinovanjem kao x(a+x), mogao je dobijenom formulom u graničnim uslovima da reprodukuje obe ranije postojeće formule. Za x << a (crveni deo spektra) Plankov izraz prelazi u ax a za x >> a (infracrveni deo) Plankov izraz je približno x². Srećna okolnost u svemu tome je da je Plankova formula, van svakih očekivanja, izuzetno tačna. Izraz za energiju E, za zračenje na frekvenciji f, i temperaturi T, može da se napiše kao
To je izraz koji je bio poređen sa eksperimentalnim podacima. Postoje dva parametra koja je trebalo odrediti iz podataka: h nova konstanta, Plankova konstanta, i k već poznata Bolcmanova konstanta. Obe konstante se danas smatraju fundamentalnim u fizici ali su u to vreme bile daleko od toga. „Elementarni kvant energije“ je hf. Međutim, takva jedinica normalno ne postoji i nije neophodna za kvantizaciju.
Rođendan kvantne mehanike uredi
Analizom poznatih eksperimentalnih podataka Plank je izračunao numeričke vrednosti za h i k. Na osnovu toga mogao je Nemačkom fizičkom društvu, na sastanku 14. decembra 1900. godine, da saopšti mnogo tačnije vrednosti Avogadrovog broja i elementarnog naelektrisanja. To Plankovo saopštenje se smatra događajem u kojem je rođena kvantna mehanika.
Literatura uredi
- J. Mehra and H. Rechenberg, The Historical Development of Quantum Theory, Vol.1, Part 1, Springer-Verlag New York Inc., New York 1982.
- Lucretius, "On the Nature of the Universe", transl. from the Latin by R.E. Latham, Penguin Books Ltd., Harmondsworth 1951. There are, of course, many translations, and the translation's title varies. Some put emphasis on how things work, others on what things are found in nature.
- M. Planck, A Survey of Physical Theory, transl. by R. Jones and D.H. Williams, Methuen & Co., Ltd., London 1925 (Dover editions 1960 and 1993) including the Nobel lecture.
- Macura, Slobodan; Radić-Perić, Jelena (2004). Atomistika. Beograd: Fakultet za fizičku hemiju Univerziteta u Beogradu/Službeni list... str. 57.