- κβάντο
- Στοιχειώδης αδιαίρετη ποσότητα, με την οποία μπορεί να μεταβάλλεται ένα δεδομένο φυσικό μέγεθος. Ωστόσο, όλα τα φυσικά φαινόμενα δεν μεταβάλλονται αναγκαστικά κατά τρόπο ασυνεχή. Ορισμένα, όπως η δράση και η τροχιακή στροφορμή του ηλεκτρονίου, προσλαμβάνουν μόνο τιμές πολλαπλάσιες ενός κ. Άλλα, όπως η ενέργεια, μπορούν να μεταβάλλονται είτε συνεχώς είτε ασυνεχώς. Τέλος, ορισμένα, όπως η θέση ενός σωματιδίου ή η ώθησή του, μπορούν να προσλάβουν οποιαδήποτε τιμή.
Ο πρώτος που εισήγαγε την υπόθεση ότι ένα φυσικό μέγεθος (όπως η ενέργεια) μπορεί να μεταβάλλεται ασυνεχώς ήταν ο Πλανκ, κατά το 1900, στην προσπάθειά του να εξηγήσει τους νόμους της εκπομπής της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από πυρακτωμένα σώματα. Αν θεωρήσουμε ιδιαίτερα μια κοιλότητα (π.χ. έναν μεταλλικό θάλαμο), τα τοιχώματα της οποίας διατηρούνται σε θερμοκρασία αρκετά υψηλή και παρατηρήσουμε την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που διαφεύγει από ένα μικρό άνοιγμα το οποίο έχει γίνει σε ένα τοίχωμα, θα βρούμε ότι υπάρχουν ακτινοβολίες όλων των μηκών κύματος, που σχηματίζουν δηλαδή ένα συνεχές φάσμα από τις υπέρυθρες μέχρι τις υπεριώδεις ακτίνες. Το παραπάνω μοντέλο προσεγγίζει με μεγάλη ακρίβεια το λεγόμενο μέλαν σώμα, δηλαδή αυτό που απορροφά όλη την ακτινοβολία που προσπίπτει επάνω του. Οι ακτινοβολίες που περιλαμβάνονται σε μια ζώνη συχνοτήτων αρκετά στενή (αντί για μήκη κύματος είναι προτιμότερο να γίνεται αναφορά σε συχνότητες), μεταφέρουν μια ορισμένη ποσότητα ενέργειας, που εξαρτάται μόνο από τη θεωρούμενη συχνότητα και από τη θερμοκρασία. Για κάθε τιμή θερμοκρασίας υπάρχει μία συχνότητα που αντιστοιχεί στη μέγιστη πυκνότητα της ακτινοβολούμενης ενέργειας, ενώ ταυτόχρονα η ενέργεια που συνοδεύεται από ακτινοβολίες (με πολύ πιο χαμηλή ή πολύ πιο υψηλή συχνότητα) είναι εξαιρετικά μικρή. Το φάσμα (εξάρτηση της ενέργειας από τη συχνότητα) του μέλανος σώματος έχει έτσι μορφή κώδωνα με ένα μέγιστο, που μετατοπίζεται προς τις υψηλότερες συχνότητες με την αύξηση της θερμοκρασίας. Στη θερμοκρασία των 2.000°C, για παράδειγμα, η εκπεμπόμενη ακτινοβολία είναι κυρίως στην περιοχή του υπερύθρου, ενώ στους 4.000°C το μέγιστο της εκπεμπόμενης ενέργειας έχει μετατοπιστεί προς την περιοχή της φωτεινής ακτινοβολίας. Προκειμένου να εξηγηθούν θεωρητικά τα πειραματικά αυτά δεδομένα, τα άτομα των τοιχωμάτων που εκπέμπουν την ακτινοβολία μπορούν να παρασταθούν σαν αρμονικοί ταλαντωτές, καθένας από τους οποίους μπορούμε να φανταστούμε ότι σχηματίζεται από ηλεκτρικά φορτία τα οποία πάλλονται περιοδικά με μια ορισμένη συχνότητα. Στην περίπτωση αυτή, η συχνότητα της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας συμπίπτει με τη συχνότητα της ταλάντωσης. Αν ληφθούν υπόψη οι νόμοι της κλασικής ηλεκτροδυναμικής, σύμφωνα με τους οποίους η ενέργεια κάθε ταλαντωτή μπορεί να προσλάβει οποιαδήποτε τιμή, εξάγεται το συμπέρασμα ότι η συνολική ακτινοβολούμενη ηλεκτρομαγνητική ενέργεια αυξάνει ανάλογα με το τετράγωνο της συχνότητας. Αυτό το εξαγόμενο είναι αντίθετο με το πείραμα, το οποίο αποδεικνύει ότι η ακτινοβολούμενη ενέργεια με την αύξηση της συχνότητας αυξάνει μέχρι ένα μέγιστο και κατόπιν μειώνεται πάλι, σύμφωνα με την καμπύλη που περιγράφηκε πιο πάνω. Όμως, αυτό το εξαγόμενο είναι απαράδεκτο από μια συγκεκριμένη άποψη, επειδή η ακτινοβολούμενη ενέργεια (η οποία στο σύνολό της αποτελείται από ακτινοβολίες όλων των συχνοτήτων) θα γινόταν άπειρη, δεδομένου ότι με συχνότητες όλο και υψηλότερες θα αντιστοιχούσε μια ακτινοβολούμενη ενέργεια όλο και μεγαλύτερη. Η επαναστατική υπόθεση που εισήγαγε ο Πλανκ συνίστατο στην παραδοχή ότι οι ταλαντωτές μπορούν να εκπέμπουν και να απορροφούν ακτινοβολίες μόνο με ασυνεχή τρόπο, μεταβάλλοντας κάθε φορά την ενέργειά τους μόνο κατά ένα ακέραιο πολλαπλάσιο μιας ελάχιστης ποσότητας ενέργειας, του κ. ενέργειας. Για έναν ταλαντωτή συχνότητας ν, το κ., δηλαδή η αδιαίρετη μονάδα, είναι hv, όπου h είναι η λεγόμενη σταθερά του Πλανκ και έχει την τιμή:
h = 6,662 · 10-34 Joule · sec.
Ενώ κατά την κλασική διερεύνηση η μέση ενέργεια ενός ταλαντωτή –για μια ορισμένη θερμοκρασία των τοιχωμάτων του– προέκυπτε η ίδια οποιαδήποτε και αν ήταν η συχνότητά του, κατά τη θεωρία του Πλανκ ως επακόλουθο της θεώρησης διακριτού τρόπου μεταβολής, η μέση ενέργεια που διατίθεται από κάθε ταλαντωτή προκύπτει τόσο μικρότερη όσο υψηλότερη είναι η συχνότητά του. Κατ’ αυτό τον τρόπο, το συμπέρασμα που βγαίνει στη δεύτερη περίπτωση είναι ότι η ακτινοβολούμενη ηλεκτρομαγνητική ενέργεια, που είναι ανάλογη προς τη μέση ενέργεια των ταλαντωτών, τείνει στο μηδέν με την αύξηση της συχνότητας της ακτινοβολίας. Για αρκετά χρόνια θεωρούσαν την υπόθεση του Πλανκ ως κάτι περισσότερο από ένα μαθηματικό τέχνασμα με αμφίβολη φυσική υπόσταση, μέχρις ότου ο Αϊνστάιν απέδειξε, το 1905, ότι η ίδια ασυνέχεια εμφανιζόταν ξανά κατά την απορρόφηση της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας από μέρους των ατόμων σε ένα φαινόμενο τελείως διαφορετικό: το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Ο Αϊνστάιν διατύπωσε πράγματι μια υπόθεση ακόμα πιο εκτεταμένη: συμπέρανε όχι μόνο ότι οι διαδικασίες εκπομπής και απορρόφησης θα συνέβαιναν ασυνεχώς αλλά και ότι η ίδια η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία θα είχε σωματιδιακό χαρακτήρα (κ. φωτός ή φωτόνια). Δηλαδή, μια δέσμη μονοχρωματικής ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (δηλαδή ορισμένης συχνότητας) συμπεριφέρεται σαν να αποτελείται από σωματίδια, εφοδιασμένα το καθένα με ενέργεια hv, τα οποία κινούνται με την ταχύτητα του φωτός. Πρόκειται για την περίφημη διττή φύση της ακτινοβολίας, η οποία στα επόμενα χρόνια επιβεβαιώθηκε και ουσιαστικά αποτέλεσε έναν θρίαμβο για την κβαντική μηχανική. Αυτή η υπόθεση (φωτονική φύση του φωτός) επιβεβαιώθηκε στη συνέχεια από άλλα πειράματα, όπως το φαινόμενο Κόμπτον, η παραγωγή του ζεύγους ηλεκτρόνιο-ποζιτρόνιο κλπ. Η θεωρία των κ. επεκτάθηκε ακόμα σε ακτινοβολίες διαφορετικές από τις ηλεκτρομαγνητικές. Το κ. ενεργείας της ακουστικής ακτινοβολίας υποδεικνύεται με την ονομασία φωνόνιο. Αυτή η επέκταση αιτιολογείται από το γεγονός ότι η εκπομπή και η απορρόφηση της ηχητικής ενέργειας στα φαινόμενα των κραδασμών των κρυσταλλικών πλεγμάτων πραγματοποιείται κατά κ.
κβαντική βαρύτητα. Μία θεωρία της βαρύτητας, στην οποία οι βαρυτικές αλληλεπιδράσεις της ύλης περιγράφονται όχι με βάση τη γεωμετρία του χωροχρόνου, όπως στη γενική θεωρία της σχετικότητας, αλλά με βάση την ανταλλαγή στοιχειωδών σωματίων (τα λεγόμενα κ. πεδίου) που λέγονται γκραβιτόνια. Το γκραβιτόνιο, ένα σωμάτιο που δεν έχει έως τώρα ανακαλυφθεί, έχει μηδενικό φορτίο, μάζα ηρεμίας μηδέν και σπιν 2. Το γκραβιτόνιο είναι ανάλογο προς το φωτόνιο, που είναι το κ. του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου.
κβαντική ηλεκτρονική. Η εφαρμογή των αρχών της κβαντομηχανικής στη μελέτη της παραγωγής και της ενίσχυσης ισχύος σε συχνότητες από 109 έως 1011 Hz στους στερεούς κρυστάλλους.
κβαντική ηλεκτροδυναμική. Μια σχετικιστική θεωρία της κβαντομηχανικής, υπό εξέλιξη, που ασχολείται με τις κινήσεις και τις αλληλεπιδράσεις ηλεκτρονίων, στοιχειωδών σωματιδίων και φωτονίων, για παράδειγμα, με τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις. Πολλά φαινόμενα που σχετίζονται με αλληλεπιδράσεις φορτισμένων σωματίων στις οποίες γίνεται ανταλλαγή φωτονίων έχουν προβλεφθεί από την κβαντική ηλεκτροδυναμική και έχουν επιβεβαιωθεί από διάφορα πειράματα. Η κβαντική ηλεκτροδυναμική φαίνεται ότι είναι μια έγκυρη θεωρία για αλληλεπιδράσεις σωματίων, των οποίων η μεταξύ τους απόσταση μπορεί να γίνει 4.10-15 εκ.
κβαντική θεωρία. Θεωρία η οποία, σε αντίθεση με την κλασική μηχανική του Νεύτωνα, υποστηρίζει ότι ορισμένα φυσικά μεγέθη μπορούν να πάρουν μόνο διακριτές τιμές. Πολλά προβλήματα δεν μπορούσαν να λυθούν με τη νευτώνεια μηχανική, ιδιαίτερα το χαρακτηριστικό μέγιστο που παρατηρείται στις φασματικές καμπύλες κατανομής του μελανού σώματος. Η προσπάθεια επίλυσης του προβλήματος βασίστηκε στην υπόθεση ότι η ενέργεια ενός ταλαντωτή είναι KT, όπου Κ η σταθερά Μπόλτσμαν και Τ η θερμοδυναμική θερμοκρασία. Το 1900 ο Πλανκ έλυσε το πρόβλημα, με την υπόθεση ότι ένας ταλαντωτής δεν μπορεί να αποκτήσει ή να χάσει ενέργεια με τρόπο συνεχή και ότι μπορεί να μεταβληθεί μόνο κατά ένα διάκριτο ποσό που ονόμασε κ. Το 1905 ο Αϊνστάιν εξήγησε το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο με την υπόθεση ότι το φως εκπέμπεται κατά κ. και το 1907 χρησιμοποίησε αυτή την ιδέα για να εξηγήσει τη συμπεριφορά της θερμοχωρητικότητας των στερεών σε χαμηλές θερμοκρασίες. Σημαντική πρόοδος σημειώθηκε αργότερα με τη θεωρία των ατομικών φασμάτων του Μπορ (1913). Η θεωρία τελειοποιήθηκε έπειτα από τον Σόμερφελντ για να δικαιολογηθεί η λεπτή υφή των φασμάτων. Άλλες επιτυχίες της κβαντικής θεωρίας ήταν η εξήγηση του φαινομένου Κόμπτον και το φαινόμενο Σταρκ. Αργότερα η θεωρία εξελίχθηκε ακόμα περισσότερο με τη διατύπωση ενός νέου συστήματος μηχανικής που είναι γνωστό ως κβαντομηχανική (βλ. λ.).
κβαντική τροχιά. Στη θεωρία του Μπορ, μία επιτρεπόμενη τροχιά του ηλεκτρονίου στο άτομο υδρογόνου με ακτίνα τέτοια ώστε η στροφορμή του ηλεκτρονίου είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του
(h η σταθερά του Πλανκ).
Το ηλεκτρόνιο, όσο βρίσκεται πάνω σε μία κβαντική τροχιά, δεν ακτινοβολεί. Όμως, όταν μεταβαίνει από μία κβαντική τροχιά σε άλλη, μικρότερης ενέργειας, εκπέμπει ένα φωτόνιο τέτοιας ενέργειας όση και η ενεργειακή διαφορά των δύο σταθμών.
κβαντική χημεία. Κλάδος της θεωρητικής χημείας που ασχολείται με τα προβλήματα δομής δεσμού και δραστικότητας των χημικών ενώσεων με τη βοήθεια των εννοιών και των μεθόδων της κβαντομηχανικής. Η κβαντική χημεία ονομάζεται και κβαντοχημεία.
κβαντικό άλμα. Η απότομη μεταβολή της κατάστασης ενός συστήματος σωματίων, λόγω αντίστοιχης μεταβολής κάποιων μεγεθών αυτού. Σε ένα κβαντικό άλμα, το σύστημα περνάει από μία κατάσταση σε μία άλλη, προσπερνώντας τις ενδιάμεσες καταστάσεις. Αυτή η ιδιομορφία οφείλεται στο γεγονός ότι ορισμένες φυσικές ποσότητες (μεγέθη που καθορίζουν την κατάσταση του συστήματος) συστημάτων σωματίων μπορούν να πάρουν μόνο ασυνεχείς τιμές. Για παράδειγμα, όταν ένα άτομο εκπέμπει μία ακτίνα X, η ενέργεια αυτής της ακτίνας απελευθερώνεται με τη μετακίνηση ενός ηλεκτρονίου από μία ενεργειακή στάθμη του ατόμου σε μία άλλη. Δηλαδή με τη μετακίνηση αυτή η ενέργεια του ηλεκτρονίου μεταβάλλεται κατά μία ποσότητα, που βρίσκεται ακριβώς ίση με την ενέργεια της ακτίνας X. Η μετάβαση του ηλεκτρονίου δεν γίνεται με συνεχή τρόπο, δηλαδή μέσα από τις ενδιάμεσες ενεργειακές καταστάσεις, αλλά απευθείας από την αρχική κατάσταση στην τελική.
κβαντικοί αριθμοί. Αριθμοί οι οποίοι καθορίζουν τις διακριτές τιμές που μπορούν να πάρουν οι ιδιότητες οι οποίες χαρακτηρίζουν τα κβαντικά συστήματα (ατομικός πυρήνας, άτομα, μόρια) και τα στοιχειώδη σωμάτια. Αφορούν μεγέθη που λαμβάνουν κατά την κβαντομηχανική απαίτηση διακριτές τιμές και ορίζουν τις λεγόμενες επιτρεπτές καταστάσεις. Mπορούν να καθορίσουν τη μορφή της τροχιάς του ηλεκτρονίου γύρω από τον πυρήνα, τον προσανατολισμό της, τη φορά περιστροφής και ιδιοπεριστροφής αυτού (σπιν). Για παράδειγμα, οι περιοχές μέσα σε ένα άτομο στις οποίες μπορεί να κινηθεί το ηλεκτρόνιο χαρακτηρίζονται από τους κβαντικούς αριθμούς n, 1 και m. Όμως, και οι ιδιότητες των στοιχειωδών σωμάτων περιγράφονται, επίσης, με κβαντικούς αριθμούς. Για παράδειγμα, ένα ηλεκτρόνιο έχει την ιδιότητα που είναι γνωστή ως σπιν, του οποίου οι δύο καταστάσεις χαρακτηρίζονται από τους κβαντικούς αριθμούς
.
Ομοίως, ιδιότητες όπως το ισοτοπικό σπιν, φορτίο και υπερφορτίο χαρακτηρίζονται από κβαντικούς αριθμούς.
Η εκπομπή και η απορρόφηση των ακτινοβολιών πραγματοποιείται κατά κβάντα. Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο φανερώνει τη σωματική όψη των ηλεκτρομαγνητικών ακτινοβολιών. Με φως κατάλληλης συχνότητας, δηλαδή με κβάντα επαρκούς ενέργειας, προκαλείται εξαγωγή ηλεκτρονίων από τα μέταλλα. Αν η ενέργεια του κβάντου που προσπίπτει είναι ανώτερη από εκείνη που χρειάζεται για να αποσπαστεί ένα ηλεκτρόνιο (π.χ. ένα κβάντο ακτινοβολίας Χ), γίνεται απόσπαση του ηλεκτρονίου, ενώ η υπόλοιπη ενέργεια εκπέμπεται με τη μορφή ενός κβάντου με μικρότερη συχνότητα (φαινόμενο Κόμπτον).
* * *τοφυσ. διακεκριμένη ποσότητα ενός φυσικού μεγέθους (ενέργειας, ηλεκτρικού φορτίου, στροφορμής κ.λπ.).[ΕΤΥΜΟΛ. Λ. ξεν. προελεύσεως, πρβλ. αγγλ. quantum (< λατ. quantum «πόσο»)].
Dictionary of Greek. 2013.
