Что измеряется в квантах

Квант

Квант (от лат. quantum — «сколько») — неделимая порция какой-либо величины в физике. В основе понятия лежит представление квантовой механики о том, что некоторые физические величины могут принимать только определённые значения (говорят, что физическая величина квантуется). В некоторых важных частных случаях эта величина или шаг её изменения могут быть только целыми кратными некоторого фундаментального значения [1] — и последнее называют квантом. Например, энергия монохроматического электромагнитного излучения угловой частоты может принимать значения , где — редуцированная постоянная Планка, а — целое число. В этом случае имеет смысл энергии кванта излучения (иными словами, фотона), а — смысл числа́ этих квантов (фотонов). В смысле, близком к этому, термин квант был впервые введен Максом Планком в его классической работе 1900 года — первой работе по квантовой теории, заложившей её основу. Вокруг идеи квантования с начала 1900-х годов развилась полностью новая физическая концепция, обычно называемая квантовой физикой.

Ныне прилагательное «квантовый» используется в названии ряда областей физики (квантовая механика, квантовая теория поля, квантовая оптика и т. д.). Широко применяется термин квантование, означающий построение квантовой теории некоторой системы или переход от её классического описания к квантовому. Тот же термин употребляется для обозначения ситуации, в которой физическая величина может принимать только дискретные значения — например, говорят, что энергия электрона в атоме «квантуется».

Сам же термин «квант» в настоящее время имеет в физике довольно ограниченное применение. Иногда его употребляют для обозначения частиц или квазичастиц, соответствующих бозонным полям взаимодействия (фотон — квант электромагнитного поля, фонон — квант поля звуковых волн в кристалле, гравитон — гипотетический квант гравитационного поля и т. д.), также о таких частицах говорят как о «квантах возбуждения» или просто «возбуждениях» соответствующих полей.

Кроме того, по традиции «квантом действия» иногда называют постоянную Планка. В современном понимании это название может иметь тот смысл, что постоянная Планка является естественной единицей измерения действия и других физических величин такой же размерности (например, момента импульса).

Некоторые кванты

Кванты некоторых полей имеют специальные названия:

Источник

Данная статья рассказывает о том, что «квант» – это понятие физики элементарных частиц. Здесь дается определение этой величины, показывается ее важность и приводится краткая история ее открытия.

Математика и физика

Две самые страшные школьные дисциплины для учеников с гуманитарным складом ума однажды объединились, чтобы породить новый этап в изучении окружающего мира. Началось все с того, что Макс Планк, выводя формулу распределения излучения абсолютно черного тела, ввел понятие «квант». Значение слова буквально такое: наименьшая порция чего-либо, например, энергии, поля, момента инерции.

Причем применимо это понятие к микромиру: может быть квант света и гравитационного поля, но не может быть кванта массы или дождя. Чтобы читателю было яснее, приведем пример. Если бы все возможные состояния электрона были целой коровой, то квант – это наименьшая порция мяса, с помощью которой можно насытиться, то есть один стейк. Кстати, в известном фильме о Джеймсе Бонде под квантом милосердия наверняка подразумевается то, что даже у самого черствого человека есть хоть немного сострадания в душе.

Борьба за квантовую физику

Поначалу Макс Планк действовал в рамках прежних представлений о физике. Он ввел в уравнение квант, значение которого в его глазах заключалось только в удобстве математического выражения. Таким образом, получается, что он открыл это понятие почти случайно, не стремясь совершить прорыв.

Вообще, он был добросовестным исследователем, усердно трудился над каждой темой и доводил дело до конца. Именно упорство и настойчивость позволили ему перевернуть физику. Не было никаких гениальных прозрений и внезапных идей. Возможно, поэтому еще долгое время он отрицал важность своего открытия и пытался как-то «приладить», примирить новое понятие со старым подходом к физике. Целая плеяда ученых, которые появились благодаря введению кванта, не смогли убедить его в фундаментальном значении одного-единственного предположения для будущего науки.

Значение для науки

Прежде всего, квант – это основа для понимания природы света. Ученые еще в семнадцатом веке довольно точно измерили скорость солнечных лучей, но объяснить их появление или поглощение поверхностями были не в силах. Выяснилось, что энергия электромагнитных волн с одинаковым приращением фазы по времени может принимать только значения, кратные E= (N+1/2) ħω. Поясним:

Приведенная выше формула обозначает, что энергия излучения ħω квантуется, то есть представляет собой набор конечных пакетов или фотонов.

Квант и материя

Объяснив природу света, люди поняли, что квант – это не только математическая шутка, но и огромные возможности. Позже ученые выяснили, почему электроны в атомах могут находиться только на определенных орбитах. Это потребовало введения принципа корпускулярно-волнового дуализма для элементарных частиц.

Переход электрона между двумя орбиталями в атоме происходит всегда рывком. Это приводит к процессам, благодаря которым испускается или поглощается световой квант. Что значит этот факт для науки, поясним чуть ниже. В каждом типе атомов набор квантов перехода уникален. То есть набор энергий, необходимый для возбуждения электронов золота, не подходит платине. Это дает возможность определить, какой именно переход был совершен, и понять, какой тип атома изучается: водород или аргон, алюминий или магний.

На этом основании стоит самый мощный инструмент изучения и покорения материи – спектроскопия. Сферы применения анализа спектров весьма обширны, вот некоторые из них:

Читатель и сам легко представит, что использовать такой метод можно во всех сферах человеческой деятельности.

Типы квантов

Помимо уже описанного фотона, бывают и другие типы квантов:

Большой адронный коллайдер, который был построен в 2012 году, доказал: в его недрах родился новый квант, бозон Хиггса. Таким образом, физики показали, почему глюоны и фотоны не обладают массой покоя.

Лазер как следствие приручения квантов света

Поняв, как получаются фотоны, ученые смогли «приручить» их. В результате появился лазер – источник монохроматических электромагнитных волн. При достаточно простых принципах, которые лежат в основании одновременной генерации фотонов одной длины волны (монохроматических), и простом строении самого устройства, возникали большие технические сложности.

Первой задачей было найти материал, в котором существовала бы инверсная заселенность электронов. Вторая задача состояла в том, чтобы создать два зеркала на торцах рабочего кристалла. Но обе они давно решены, причем понимание того, что такое квант, – это первый шаг к получению таких сложных устройств.

В современном мире лазер используется повсеместно. Его применяют как для забавы (лазерная указка), так и для серьезных целей (термоядерная реакция).

Источник

Значение слова «квант»

[От лат. quantum — сколько]

Источник (печатная версия): Словарь русского языка: В 4-х т. / РАН, Ин-т лингвистич. исследований; Под ред. А. П. Евгеньевой. — 4-е изд., стер. — М.: Рус. яз.; Полиграфресурсы, 1999; (электронная версия): Фундаментальная электронная библиотека

может принимать значения

— редуцированная постоянная Планка, а

— целое число. В этом случае

имеет смысл энергии кванта излучения (иными словами, фотона), а

— смысл числа́ этих квантов (фотонов). В смысле, близком к этому, термин квант был впервые введен Максом Планком в его классической работе 1900 года — первой работе по квантовой теории, заложившей её основу. Вокруг идеи квантования с начала 1900-х годов развилась полностью новая физическая концепция, обычно называемая квантовой физикой.

Ныне прилагательное «квантовый» используется в названии ряда областей физики (квантовая механика, квантовая теория поля, квантовая оптика и т. д.). Широко применяется термин квантование, означающий построение квантовой теории некоторой системы или переход от её классического описания к квантовому. Тот же термин употребляется для обозначения ситуации, в которой физическая величина может принимать только дискретные значения — например, говорят, что энергия электрона в атоме «квантуется».

Сам же термин «квант» в настоящее время имеет в физике довольно ограниченное применение. Иногда его употребляют для обозначения частиц или квазичастиц, соответствующих бозонным полям взаимодействия (фотон — квант электромагнитного поля, фонон — квант поля звуковых волн в кристалле, гравитон — гипотетический квант гравитационного поля и т. д.), также о таких частицах говорят как о «квантах возбуждения» или просто «возбуждениях» соответствующих полей.

Кроме того, по традиции «квантом действия» иногда называют постоянную Планка. В современном понимании это название может иметь тот смысл, что постоянная Планка является естественной единицей измерения действия и других физических величин такой же размерности (например, момента импульса).

КВАНТ, а, м., и КВА’НТА, ы, ж. [от латин. quantum — сколько] (физ.). Наименьшее количество какой-н. физической величины, обладающее самостоятельным существованием. Теория квант.

Источник: «Толковый словарь русского языка» под редакцией Д. Н. Ушакова (1935-1940); (электронная версия): Фундаментальная электронная библиотека

квант

1. физ. неделимая порция материи или наименьшее количество энергии, выделяемое или поглощаемое объектом ◆ Согласно квантовой теории света, лучистая энергия испускается или поглощается телами отдельными порциями — квантами.

Делаем Карту слов лучше вместе

Привет! Меня зовут Лампобот, я компьютерная программа, которая помогает делать Карту слов. Я отлично умею считать, но пока плохо понимаю, как устроен ваш мир. Помоги мне разобраться!

Спасибо! Я стал чуточку лучше понимать мир эмоций.

Вопрос: порывать — это что-то нейтральное, положительное или отрицательное?

Источник

Что измеряется в квантах

Раньше считали, что мельчайший размер имеет атом, но нынче ученые докопались аж до кварков и суперструн. Но вопрос определения мельчайшего расстояния оставим физикам – рано или поздно нам предъявят эталон. Факт в том, что наш опыт подтверждает, что деление отрезка в реальности не бесконечно.

Эти рассуждения близки известному парадоксу Ахиллеса и черепахи. Древние тоже задумывались о бесконечности деления пространства. Так то!

А вот и нет. Выяснилось, что существует конечный кусочек энергии. Самая маленькая порция энергии, меньше которой не существует. Как и в случае с расстоянием, передачу энергии можно делить на кусочки (или пакеты, если вы вэб-программист, и вам так понятнее). Самый крошечный кусочек энергии и называют квантом.

Собственно на этом можно и закончить. Но ведь вам наверняка интересно, как это было обнаружено, да и почему из такого пустяка родилась целая наука – квантовая физика.

Эта гипотетическая духовка после нагревания, разумеется, тоже начнет излучать тепло. Физики стали считать, сколько тепла (энергии) будет излучать такая духовка. И неожиданно у них по тогдашним, казалось бы логичным, формулам умника Максвелла выходила бесконечная энергия. Это была засада – практика показывала, что в реальности подобные бесконечности не наблюдается вообще нигде и тем более в духовках. И вот на этой ерунде вся классическая физика пошла лесом.

Первым что-то путное высказал Макс Планк – дедушка квантовой физики. Он чисто по-студенчески подогнал результат под задачу, придумав формулу, из которой следовало, что энергия излучается порциями. То есть каждая электромагнитная волна несет в себе определенное количество энергии, пропорциональное частоте этой волны. Чем больше частота волны, тем больше энергии несет в себе один квант. Коэффицент пропорциональности назвали постоянной Планка, которая впоследствии оказалась не просто какой-то случайной цифрой, а фундаментальной физической величиной.

Хорошая аналогия: когда мы играем на скрипке, и плавно увеличиваем громкость, то на самом деле громкость растет не непрерывно, а скачками, но такими маленькими, что мы не замечаем этого.

Явление фотоэффекта вообще никто не мог объяснить в рамках классической физики. На картинке, походу, нарисован прибор для изучения фотоэффекта.

Никто не мог, кроме Эйнштейна. Чтобы объяснить, почему цвет падающего луча света, а не его энергия, определяет скорость выбиваемых электронов, Эйнштейн решил перенести идейки о порциях энергии Планка на световую волну. Ведь озадаченный Планк применял свою теорию только к тепловым излучениям.

Для начала Эйнштейн впервые озвучил идею, что свет можно и нужно рассматривать не как волну, а как частицу (впоследствии ее назовут фотоном, а Эйнштейн называл ее световым квантом). Для любознательных: обычная лампочка в 100 Ватт излучает в секунду примерно сто миллиардов миллиардов фотонов (это 10 в 20 степени).

И после этого мир уже никогда не был прежним. Физики столкнулись с невероятным для макромира явлением, что материя может быть одновременно и частицей и волной, что энергия не делится бесконечно, а очень даже кратна некоему значению (постоянной Планка), что эти самые кванты обладают такими свойствами, что расскажи кому в приличной компании – не поверят и вызовут санитаров.

Эйнштейн был злостным противником квантовой физики. Он до самой смерти держал оборону, считая, что квантовые явления можно как-то нормально объяснить. Но разные там Нильсы Боры, Гейзенберги, Ландау и прочие открывали все новые и новые свойства квантов. А в 50-е годы, уже после смерти Эйнштейна квантовые штучки были подтверждены экспериментально и окончательно.

Comments

>Энергия же выбитых из пластинки электронов растет, если увеличить длину волны (частоту) света

Ошибочка в тексте. Увеличиваем частоту, а длину волны УМЕНЬШАЕМ!

> Выяснилось, что существует конечный кусочек энергии. Самая маленькая порция энергии, меньше которой не существует.

Это упрощение для «гуманитариев», или косячок? 🙂

Формула ниже по тексту, та, что в синей рамочке: порция и частота жестко связаны, да. Но никакого ограничения по минимум на порцию нет.

— Как сказать. В общем-то, первоначально термин «элементарная частица» обозначал, вернее, подразумевал под собой нечто абсолютно элементарное, как говорят физики, первокирпичик материи. Однако после того, как в 1960-х годах были открыты сотни адронов с похожими свойствами, которые обладают внутренними степенями свободы и состоят из кварков, был придуман новый термин «фундаментальные частицы», обозначавший уже самые элементарные частицы, такие как лептоны, кварки и другие, якобы бесструктурные частицы, которые «невозможно расщепить на составные части». Пожалуй, я не буду вдаваться в тонкости физики, вряд ли вам это будет интересно. Но, так сказать, для общего понимания приведу простой пример. Давайте возьмём электрон. Надеюсь, всё знают, что это такое?

— А как же! Конечно знаем, — хвастливо заявил Женька. — Это такие маленькие-маленькие отрицательно заряжённые частицы, которые носятся вокруг атома, прямо как блохи по собаке.

Все рассмеялись. Сэнсэй махнул рукой, мол, ладно, хоть такое понимание присутствует в этой буйной головушке, и то хорошо, и продолжил:

— Так вот, электрон был первой элементарной частицей, которую в 1897 году открыл английский физик по фамилии Томсон. А вот первой открытой античастицей был позитрон. Это частица с массой электрона, только с положительным электрическим зарядом. Этот позитрон был обнаружен американским физиком Андерсоном в 1932 году. Ну, о том, что электронное строение атома определяет его свойства, в том числе и важную для химии способность атома образовывать химические соединения, я надеюсь, вы тоже знаете.

— Да! — гордо подтвердил Женька. — И собаки и блохи состоят из атомов, окружённых электронами. Количество электронов определяет кто из них собака, а кто блоха!

Под смех ребят Сэнсэй одобрительно кивнул:

— Пример, конечно, грубый, но по своей сути указывает на важность электронов. Итак, электроны, по мнению современных физиков, относятся к фундаментальным, то есть бесструктурным частицам. Но на самом деле электрон состоит из 13 частиц По или гравитонов. Так как гравитон чисто гипотетическая частица и экспериментально не доказана, но теоретически вычислена, и наиболее подходящая для обозначения частички По, то чисто гипотетически можно с уверенностью утверждать, что из всех «фундаментальных» частиц истинно таковым является только гравитон. Остальные состоят из 3-5-7-12-33-70 и так далее частичек По. Причём многие «фундаментальные» частички, состоящие из одного и того же числа частичек По, но имеющие разные формы и знаки заряда, соответственно играют и разные роли в этом театре материи. Примером тому служит тот же электрон и позитрон. Что в одном 13 частичек По, что в другом, что один имеет спиральную форму, что другой. Разница всего лишь в том, что один имеет отрицательный внешний заряд, «левую» спираль и положительный внутренний потенциал, а другой всё то же, только наоборот — положительный внешний заряд, «правую спираль» и отрицательный внутренний потенциал.

Николай Андреевич, внимательно выслушав Сэнсэя, тактично заметил:

— Я, конечно, не физик, спорить не буду. Но насколько я помню, электрон действительно имеет отрицательный заряд, а позитрон — положительный. О спиральной форме тоже ничего не могу сказать, не видел. Но Сэнсэй, о каком внутреннем потенциале ты говоришь, это ведь элементарные частицы? Что-то тут я не совсем тебя понимаю…

— В твоём непонимании виноват не я, — усмехнулся Сэнсэй, — а Бор.

— Бор? А кто это? — поинтересовался Руслан.

— Был такой датский физик, который в своё время, а точнее в 1912 году предложил решить проблему движения электронов вокруг ядра выделением для них так называемых стационарных орбит, двигаясь по которым электрон не утрачивает энергии.

— Ну, и чегось набедокурил сей мужик? — с неизменным чувством юмора спросил Женька.

А вот квантомеханическая теория строения атома, которая рассматривает атом как систему микрочастиц, не подчиняющихся законам классической механики, абсолютно не актуальна. На первый взгляд доводы немецкого физика Гейзенберга и австрийского физика Шрёдингера кажутся людям убедительными, но если всё это рассмотреть с другой точки зрения, то их выводы верны лишь отчасти, а в целом, так и вовсе оба не правы. Дело в том, что первый описал электрон, как частицу, а другой как волну. Кстати и принцип корпускулярно-волнового дуализма также неактуален, поскольку не раскрывает перехода частицы в волну и наоборот. То есть куцый какой-то получается у учёных господ. На самом деле всё очень просто. Вообще хочу сказать, что физика будущего очень проста и понятна. Главное дожить до этого будущего. А что касательно электрона, то он становится волной только в двух случаях. Первый — это когда утрачивается внешний заряд, то есть когда электрон не взаимодействует с другими материальными объектами, скажем с тем же атомом. Второй, в предосмическом состоянии, то есть когда снижается его внутренний потенциал.

— Кстати, о внутреннем потенциале, Сэнсэй, ты говорил, что его имеет любой материальный объект. А человек? — поинтересовался Николай Андреевич.

— А как же! Для человека это не просто энергия жизни, а определяющий фактор. Кто он, Человек или думающее животное?! Дело в том, что человек, в отличие от других материальных объектов, может менять свой внутренний потенциал с отрицательного (разрушительного) на положительный (созидательный).

— …А также управлять другими материальными объектами, — появился второй Сэнсэй. — К примеру, положительно заряженными частицами с отрицательным внутренним потенциалом мы довольно ловко и весьма охотно пользуемся. Кстати, может пора рассказать им, что это такое на самом деле, и как можно этим более эффективно пользоваться?

— Это ты за электричество что ли? — спросил третий Сэнсэй и, глянув на глуповато-удивлённые лица слушающих, с юмором изрёк: — Не думаю, что это их сильно заинтересует. Тем более что это ерунда по сравнению с тем, что они сейчас имеют возможность видеть меня в трёх экземплярах. Хотя на самом деле…

Источник

Энергия кванта

У всех классических механических волн (в жидкостях, газах и твердых телах) главный параметр, определяющий энергию волны, — это ее амплитуда (точнее, квадрат амплитуды). В случае света амплитуда определяет интенсивность излучения. Однако при изучении явления фотоэффекта — выбивания светом электронов из металла — обнаружилось, что энергия выбитых электронов не связана с интенсивностью (амплитудой) излучения, а зависит только от его частоты. Даже слабый голубой свет выбивает электроны из металла, а самый мощный желтый прожектор не может выбить из того же металла ни одного электрона. Интенсивность определяет, сколько будет выбито электронов, — но только если частота превышает некоторый порог. Оказалось, что энергия в электромагнитной волне раздроблена на порции, получившие название квантов. Энергия кванта электромагнитного излучения фиксирована и равна

где h = 4·10 –15 эВ·с = 6·10 –34 Дж·с — постоянная Планка, еще одна фундаментальная физическая величина, определяющая свойства нашего мира. С отдельным электроном при фотоэффекте взаимодействует отдельный квант, и если его энергии недостаточно, он не может выбить электрон из металла. Давний спор о природе света — волны это или поток частиц — разрешился в пользу своеобразного синтеза. Одни явления описываются волновыми уравнениями, а другие — представлениями о фотонах, квантах электромагнитного излучения, которые были введены в оборот двумя немецкими физиками — Максом Планком и Альбертом Эйнштейном.

Энергию квантов в физике принято выражать в электрон-вольтах. Это внесистемная единица измерения энергии. Один электрон-вольт (1 эВ) равен энергии, которую приобретает электрон, когда разгоняется электрическим полем напряжением 1 вольт. Это очень небольшая величина, в единицах системы Си 1 эВ = 1,6·10 –19 Дж. Но в масштабах атомов и молекул электрон-вольт — вполне солидная величина.

От энергии квантов напрямую зависит способность излучения производить определенное воздействие на вещество. Многие процессы в веществе характеризуются пороговой энергией — если отдельные кванты несут меньшую энергию, то, как бы много их ни было, они не смогут спровоцировать надпороговый процесс.

Немного забегая вперед, приведем примеры. Энергии СВЧ-квантов хватает для возбуждения вращательных уровней основного электронно-колебательного состояния некоторых молекул, например воды. Энергии в доли электрон-вольта хватает для возбуждения колебательных уровней основного состояния в атомах и молекулах. Этим определяется, например, поглощение инфракрасного излучения в атмосфере. Кванты видимого света имеют энергию 2–3 эВ — этого достаточно для нарушения химических связей и провоцирования некоторых химических реакций, например, тех, что протекают в фотопленке и в сетчатке глаза. Ультрафиолетовые кванты могут разрушать более сильные химические связи, а также ионизировать атомы, отрывая внешние электроны. Это делает ультрафиолет опасным для жизни. Рентгеновское излучение может вырывать из атомов электроны с внутренних оболочек, а также возбуждать колебания внутри атомных ядер. Гамма-излучение способно разрушать атомные ядра, а самые энергичные гамма-кванты даже внедряются в структуру элементарных частиц, таких как протоны и нейтроны.

Источник