A kvantumelmélet annak a fizikai elméletnek a neve, amely megkísérli az energia viselkedését kis léptékben modellezni kvantumok (többes szám a latin kvantum kifejezés ), diszkrét mennyiségek felhasználásával. Ismert angol néven „kvantumelmélet” ( kvantumelmélet ), annak bevezetése ideges több beérkezett ötletek fizika az idő, az elején a XX E században. Hídként szolgált a klasszikus fizika és a kvantumfizika között , amelynek sarokköve, a kvantummechanika 1925-ben született.
Max Planck kezdeményezte 1900-ban, majd főleg Albert Einstein , Niels Bohr , Arnold Sommerfeld , Hendrik Anthony Kramers , Werner Heisenberg , Wolfgang Pauli és Louis de Broglie fejlesztette ki 1905 és 1924 között.
A XIX . Század végén hatályos fizikai szabvány a következő elméleteket tartalmazta:
A XIX . Század végén számos ismert kísérleti tény megmagyarázhatatlan volt a klasszikus elmélet keretein belül. Ezek az ellentmondó kísérleti tények fokozatosan arra késztették a fizikusokat, hogy javaslatot tegyenek egy új világlátásra, a kvantumfizikára . E fogalmi forradalom fő szakaszai 1900 és 1925 között zajlottak.
Fekete test sugárzásaA sugárzó feketetest az az elektromágneses sugárzás, amelyet egy abszorbens test termel teljesen egyensúlyban a környezetével.
Képzeljen el egy zárt kamrát, amelyet hőmérsékleten tartanak : egy "sütőt", és apró lyukakkal átszúrják. A kemence falait teljesen abszorbensnek feltételezzük, a kemence kezdetén bekövetkező minden olyan sugárzás, amely a lyukon keresztül behatol a kamra belseje felé, többszörös visszaverődést, emissziót és abszorpciót él át a kemence falain keresztül, hogy elérje a teljes hőhőmérsékletet: és sugárzási tartalma hőegyensúlyban van . Ezzel szemben a kemence belsejében található hősugárzás egy kis része végérvényesen el tud menekülni belőle, lehetővé téve ezenkívül kísérleti tanulmányát, különösen spektrális energiaeloszlását , vagyis az elemi frekvenciaintervallumban jelenlévő energiasűrűséget. A termodinamika lehetővé teszi annak kimutatását, hogy ennek a sugárzásnak a jellemzői nem a kemence falainak anyagától függenek, hanem csak annak hőmérsékletétől. Ezt a sugárzást fekete test sugárzásnak nevezzük .
A XIX . Század végén a klasszikus elmélet nem volt képes megmagyarázni a fekete test sugárzásának kísérleti jellemzőit: a kibocsátott energia számítása elméletileg a végtelen felé hajlik , ami nyilvánvalóan ellentmond a tapasztalatoknak. Ezt a nézeteltérést ultraibolya katasztrófának nevezték , és ez az egyik "két kis felhő az elméleti fizika derűs égén" , egy híres mondat, amelyet Thomson - más néven Lord Kelvin - mondott. 1900. április 27konferencia során. Beszédének további részében Thomson a kísérleti eredmények gyors magyarázatát jósolta a klasszikus elmélet keretein belül. A történelem bebizonyította, hogy tévedett: Thomson előadása után néhány hónappal Planck merész hipotézissel állt elő, amely radikális felfordulást idéz elő az elméleti fizika táján.
A Planck-Einstein kapcsolat (1900-1905)Kétségbeesésében Planck feltételezte, hogy a fekete test elektromágneses sugárzása és a kemence falát alkotó anyag közötti energiacserét számszerűsítették, vagyis az energiát csomagokban továbbítják. Pontosabban: monokromatikus frekvenciasugárzás esetén az energiacsere csak a minimális mennyiség, az energia kvantumának egész számának többszörösében történhet :
hol van egy pozitív egész szám és egy új univerzális állandó, amelyet ma Planck állandójának vagy cselekvési kvantumának nevezünk . Ez az állandó érdemes:
joule . sA fekete test sugárzására vonatkozó Planck-törvény meg van írva:
lévén a hullámhossz, T a hőmérséklet Kelvinben, h a Planck-állandó és c a fény sebessége vákuumban.
A kvantum hipotézis szerint Max Planck felvettük és kitöltsék Albert Einstein 1905-ben, hogy értelmezze a fotoelektromos hatás.
Fotoelektromos hatás (1905)A XIX . Század végén a fizikusok megjegyzik, hogy akkor világít, ha egy fém egy fénnyel, elektronokat bocsáthat ki.
Az kinetikus energia gyakoriságától függ a beeső fény, és a számuk attól függ, hogy a fény intenzitása, ami nehezen érthető a hullám modell a fény. Különösen, ha a beeső fény frekvenciája egy bizonyos küszöb alatt van, akkor sem történik semmi, még akkor sem, ha nagyon sokáig várunk. Ez az eredmény klasszikusan érthetetlen, mert Maxwell elmélete az elektromágneses hullámokhoz a fényintenzitással arányos energiasűrűséget társítja, így klasszikus módon elegendő ideig annyi energiát halmozhatunk fel a fémben a megvilágításban, és "bármi legyen is a frekvencia. eseti sugárzás ". Nem lehet küszöbérték.
Planck ihlette Einstein 1905-ben egy egyszerű hipotézist javasolt a jelenség magyarázatára: "az elektromágneses sugárzás maga kvantált", mindegyik "fényszemcsének" - amelyet később fotonnak fognak nevezni - egy energia kvantumot hordoz . A fotonokat elnyelő elektronok megszerzik ezt az energiát; ha nagyobb, mint egy fix küszöbértékű energia (amely csak a fém jellegétől függ), akkor az elektronok elhagyhatják a fémet. A kibocsátott elektronoknak kinetikus energiája van:
.Ez a cikk 1905-ben elnyerte az elméleti fizika doktora címet , 1921-ben pedig a fizikai Nobel-díjat .
Az atomok stabilitásaKét komoly probléma merült fel a XIX . Század végén az atomokkal kapcsolatban , amelyek számos egyszeri negatív töltésű elektronból és egy pontszerű, pozitív töltésű magból állnak:
A dán Niels Bohr az első, aki félklasszikus modellt kínál , hogy megkerülje ezeket a nehézségeket.
A hidrogénatom Bohr-modellje két nagyon különböző összetevőt használó modell:
Ezen összetevők egzotikus keveréke látványos eredményeket hoz: a tapasztalatokkal való egyezés valóban kiváló.
Sommerfeld két lépésben tökéletesíti a Bohr modellt:
A relativisztikus hatások felvétele csak még jobbá teszi az összehasonlítást a kísérleti eredményekkel.
Noha egyértelmű volt, hogy a fény hullám-részecske kettősséget mutat , Louis de Broglie azt javasolta, hogy ezt a kettősséget bátran általánosítsák az összes ismert részecskére.
1923-as tézisében de Broglie az energia minden anyagi részecskéjéhez egy frekvenciát társított a már említett Planck-Einstein összefüggés szerint, és egy új tényként azt javasolta, hogy egy nem relativisztikus masszív részecske impulzusához társítsák a hullámhosszat , törvényhez:
Ez egy újabb forradalmi lépés volt. Paul Langevin azonnal elolvasta de Broglie tézisét Einstein számára, aki kijelentette: „Ő [de Broglie] felemelte a fővitorla sarkát. Az elektron hullámjellege közvetlen kísérleti megerősítést fog kapni azzal, hogy Davisson és Germer 1927-ben végezte el az elektronok diffrakcióját egy kristály által.
De Broglie kapcsolatai is írhatók:
szempontjából a körfrekvencia: és a hullám vektor , amelynek a normája: .
Az elektronok , a töltött részecskék kölcsönhatásba lépnek a fénnyel, jellemzően elektromágneses mező írja le őket. A klasszikus fizika azonban nem tudja megmagyarázni a sugárzás hullámhosszának megfigyelt variációját a diffúzió irányának függvényében. Ennek a kísérleti ténynek a helyes értelmezését Compton és munkatársai adják meg az 1925 és 1927 között végzett kísérletek végén.
Ez a hatás, ő tiszteletére nevezték el a Compton hatást , jól leírható, figyelembe véve a foton -electron sokk , mint egy ütés között két részecske, a foton kezében egy kvantum energia és kvantum a lendület . A fotonok változó irányokban szóródnak szét, és a hullámhossz variációját mutatják, amely a szórás irányától függ.