Ciekawostki fizyki kwantowej z PASCO

Fizyka kwantowa to teoria, która wyjaśnia zjawiska zachodzące w mikroświecie, dla obiektów o rozmiarach atomu lub cząstki elementarnej, chociaż ich skutki widoczne są czasami także makroskopowo, jak w przypadku nadprzewodnictwa lub nadciekłości materii.

Na początku był Planck

W grudniu 1900 roku Max Planck zaskoczył świat śmiałą hipotezą, że energia promieniowania (np. energia fal świetlnych) nie jest emitowana w sposób ciągły, lecz w postaci małych porcji, „paczek”, które nazwał kwantami. Hipoteza kwantów obaliła tradycyjne pojęcia dotyczące światła i elektromagnetyzmu. Stanowiła punkt wyjścia dla teorii, które zrewolucjonizowały fizykę, tworząc nowy jej dział – fizykę kwantową.

Według fizyki klasycznej, rozgrzane ciało promieniuje energię w postaci fal elektromagnetycznych o różnych częstotliwościach, ale jego zdolność emisyjna jest tym większa, im większa jest częstotliwość fali emitowanego światła. Oznaczałoby to, że rozgrzane ciało w każdej temperaturze najwięcej energii emituje w postaci fal nadfioletowych, a suma energii we wszystkich częstotliwościach jest nieskończona. To nonsens, który nazwano “katastrofą w nadfiolecie”. W rzeczywistości, kawałek rozgrzanego żelaza promieniuje, ale barwa emitowanego światła (maksimum emisji) zmienia się wraz z temperaturą.

Wyjaśniając to zjawisko, próbując dopasować wzór teoretyczny do wyników eksperymentu, Planck przyjął ad hoc założenie, że cząsteczki ciała emitującego promieniowanie mogą drgać tylko z wybranymi energiami, a samo promieniowanie rozchodzi się w postaci porcji energii nazywanych kwantami. Energia takiej porcji jest uzależniona od częstotliwości światła (ν) i dana wzorem:

Stała h, zwana dzisiaj stałą Planka, jest jedną z podstawowych stałych w fizyce.

Pomimo, że teoria Plancka prawidłowo wyjaśniała wyniki eksperymentów i miała daleko idące konsekwencje w wielu innych dziedzinach fizyki, sam uczony nie mógł w nią uwierzyć. Nie chciał się pogodzić z myślą, że natura działa w sposób skokowy. Wciąż chciał powrócić do praw mechaniki Newtona i pozbyć się kwantów. Fizyka doświadczalna potwierdziła jednak wielokrotnie teorię Plancka.

Potem pojawił się Einstein

Fotony światła czerwonego (o małej częstotliwości) nie mogą przenieść wystarczającej energii, by wybić elektron z metalowej płytki. Dopiero fotony niebieskie, a najlepiej ultrafioletowe (o wysokiej częstotliwości), mają tę zdolność. Zdolność do tworzenia prądu elektrycznego. Dlaczego tak się dzieje?

Albert Einstein, zainspirowany odkryciem Maxa Plancka, stworzył teorię cząstek światła, czyli fotonów. Pokazał, że światło może się zachowywać się jednocześnie jak strumień kulek-fotonów oraz jak fala.

Einstein posłużył się matematyczną definicją kwantów Plancka, ale nie do opisu atomów, ale światła. Einsteinowskie kwanty zostały nazwane fotonami. Einstein udowodnił, że nie mają masy i poruszają się z prędkością światła. W 1905 roku za wyjaśnienie zjawiska fotoelektrycznego Einsteina otrzymał nagrodę Nobla.

Efekt fotoelektryczny można zaobserwować za pomocą zaawansowanych urządzeń PASCO (zestaw eksperymentalny EX-5549A), wyznaczając jednocześnie stałą Plancka z dokładnością do 5%.

Polega on na oświetlaniu metalowej elektrody światłem o różnych częstotliwościach i obserwacji energii wybijanych z niej elektronów. Okazuje się, że:

Energia kinetyczna fotonów zależy od częstości fali światła. Im większa jest długość fali, tym mniejsza jest energia fotonów.
Energia kinetyczna fotonów nie zależy od natężenia światła. Wzrost natężenia światła jedynie zwiększa liczbę wybijanych elektronów, ale ich energia nie zmienia się. Efekt fotoelektryczny nie pojawia się dla niskich częstotliwości fal niezależnie od natężenia padającego światła.

Einstein zrewolucjonizował naukę udowadniając ponad wszelką wątpliwość, że światło jest zarówno falą, jak i strumieniem fotonowych pocisków. Dziś wiemy już, że światło zachowuje się tak, jakby „wiedziało”, kiedy ma być cząstką, a kiedy falą.

Kolejnym doniosłym wydarzeniem w dziejach fizyki kwantowej było doświadczenie Millikana w 1911 roku, w którym udowodnił on, że ładunek elektryczny jest skwantowany i wyznaczył wartość najmniejszej jego porcji, czyli tzw. ładunek elementarny, który posiada elektron.

Dzięki aparaturze PASCO (AP-8210A) możemy dzisiaj odtworzyć ten eksperyment sprzed ponad stu lat w naszych pracowniach fizycznych.

Wielka Trójca – Planck, Einstein i Bohr

W 1913 roku Niels Bohr wyjaśnił wiele paradoksów teorii budowy atomu postulując, że elektrony w atomie mogą przyjmować tylko ściśle określone wartości energii, a co więcej, nie emitują one w tych stanach energii, pomimo że krążą wokół jądra atomowego. Oba te postulaty były jawnie sprzeczne z prawami fizyki klasycznej, więc Bohr zaproponował stworzenie nowej dziedziny – fizyki kwantowej.

W latach 1912-1913 Bohr przedstawił przełomowe prace na temat budowy atomu wodoru. Jego model do dziś jest podstawą mechaniki kwantowej. Opisał w nim ruch elektronów wokół jądra atomowego. Kluczowy okazał się opisany wyżej postulat, że elektrony mogą zajmować tylko orbity znajdujące się w ściśle określonych odległościach od jądra, bo tylko tam nie promieniują energii. Przejście elektronu z niższej orbity na wyższą wymaga dostarczenia energii, której kosztem zostanie wykonana praca przeciwko sile przyciągania jądra atomowego. Energia ta jest ściśle określona, równa różnicy energii na dozwolonych poziomach elektronowych. Powrót elektronu wiąże się z emisją fali elektromagnetycznej, oczywiście o tej samej, dokładnie określonej energii. To tłumaczy, dlaczego pierwiastki wysyłają i pochłaniają światło tylko o konkretnej długości fali (energii), czyli dlaczego na przykład neon świeci na czerwono, a lampy z parami sodu – na żółto.

Potwierdzeniem słuszności tej teorii był eksperyment Francka-Hertza, za który uczeni otrzymali w 1925 roku nagrodę Nobla. Na zamieszczonym obok wykresie zależności natężenia prądu płynącego przez lampę elektronową wypełnioną parami rtęci od napięcia przyłożonego do elektrod widać wyraźne minima odpowiadające kwantom energii pochłanianym przez atomy rtęci i powodującym wzbudzenie atomu do wyższego poziomu energetycznego.

Współcześni studenci nie dostaną już za to Nobla, ale doświadczenie mogą powtórzyć posługując się zestawem PASCO o symbolu SE-9639 lub kompletnym eksperymentem EX-5561.

Dalsze okrycia i teorie naukowe spowodowały rozkwit fizyki kwantowej, której podstaw nikt dzisiaj nie podważa. Jest ona jednak trudna do wyobrażenia sobie przez „zwykłych” ludzi, gdyż zjawisk przez nią opisywanych nie obserwujemy na co dzień (czyli w otaczającym nas makroświecie). Na przykład, w naszych wymiarach cząstka może przejść tylko albo przez jeden z dwóch otworów, albo przez drugi. W mikroświecie, cząstka jest jednocześnie także falą, może przejść „częściowo” (z pewnym prawdopodobieństwem) przez jedną szczelinę i jednocześnie przez drugą, w dodatku „sama z sobą” interferując.

Gdy zaczynamy patrzeć na światło, które zachowuje się jak fala, ono… nagle staje się cząstką. Sam Einstein nie mógł pogodzić się z losowością fizyki kwantowej i wygłosił słynne zdanie: „Bóg nie gra ze wszechświatem w kości”.

Do opisania praw fizyki kwantowej używa się bardzo zaawansowanej matematyki, dla której wyznaczyły one z resztą kierunek dalszego rozwoju. Fizyka kwantowa ma także wpływ na filozofię. Okazuje się bowiem, że nic we Wszechświecie nie jest zdeterminowane (pewne), a wszystko jest jedynie prawdopodobne. Rzeczywiście, trudno sobie to wyobrazić i uświadomić wszystkie tego konsekwencje. A jednak – to prawda …

Niektóre prawa fizyki kwantowej wydają się prawie niemożliwe – tak bardzo są niezrozumiałe i nieintuicyjne. Przykładem jest zjawisko splątania kwantowego cząstek elementarnych. Za badania nam nim, Alain Aspect, John F. Clauser i Anton Zeilinger otrzymali w 2022 roku nagrodę Nobla. Zjawisko to polega na „telepatycznym porozumiewaniu się cząstek” na duże odległości. Dwa fotony lub elektrony mogą zachowywać się jak jedna cząstka, przekazywać sobie stany kwantowe, choć są rozdzielone. Nie wiemy jeszcze, dlaczego tak jest, ale powstają już pierwsze pomysły, jak wykorzystać to w technologii, do budowy komputerów kwantowych, superszybkiego Internetu lub szyfrowania wiadomości.

Wymienione powyżej eksperymenty PASCO, to część oferty, zawierająca ekskluzywne i zaawansowane doświadczenia, przeznaczone przede wszystkim dla uczelni wyższych i niektórych techników. To eksperymenty odtwarzające przełomowe w dziejach fizyki doświadczenia oraz umożliwiające wyznaczanie stałych fizycznych z bardzo dużą dokładnością. Więcej na ich temat można dowiedzieć się odwiedzając stronę PASCO SCIENTIFIC: TWOI EKSPERCI OD DOŚWIADCZEŃ FIZYCZNYCH!