Kvantittuminen

Bohrin atomimallissa atomin ydintä kiertävien elektronien pyörimismäärä on kvantittunut.

Kvantittuminen merkitsee ilmiötä, jossa fysikaalinen suure, kuten energia tai spin, voi saada vain diskreettejä arvoja jatkuvan jakauman sijaan, tai se ilmenee vain tietyn suuruisina paketteina, kvantteina.

Pohjan teorialle kvantittumisesta loi saksalainen fyysikko Max Planck, joka tutki 1900-luvun alussa mustan kappaleen säteilyä. Mustalla kappaleella tarkoitetaan kohdetta, joka absorboi kaiken siihen osuvan säteilyn ilman heijastuksia, niin kuin musta pinta absorboi kaiken siihen osuvan valon. Täysin mustaa kappaletta ei tästä huolimatta ole olemassa. Kun kappale lämmitetään kuumaksi, se säteilee eri aallonpituuksilla tietyllä jakaumalla, jonka laskemiseen tunnettiin kaksi kaavaa. Ongelmana oli, että Wilhelm Wienin vuonna 1894 keksimä Wienin siirtymälakina tunnettu kaava toimi tarkasti korkeissa lämpötiloissa, jolloin kappaleen säteily oli suurienergistä ja lyhytaaltoista, kun taas Rayleigh-Jeansin lakina tunnettu klassisesta mekaniikasta johdettu kaava toimi hyvin matalissa lämpötiloissa ja suurilla aallonpituuksilla. Max Planck sai yhdistettyä nämä kaavat matemaattisesti ja kertoi tuloksestaan lokakuussa 1900 Berliinissä pitämässään esitelmässä.

Planckin kaava perustui yksinomaan kokeellisiin tuloksiin, ja teoreettisen selityksen esittäminen havaitulle aallonpituusjakaumalle osoittautui suureksi ongelmaksi. Seuraavassa Saksan fyysikkoseuran kokouksessa saman vuoden joulukuussa Planck ilmoitti päätyneensä johtopäätökseen, että jostakin tuntemattomasta syystä kappaleen seinien värähtelijät eli atomit luovuttavat ja vastaanottavat energiaa vain tietynkokoisina paketteina, kvantteina, joiden energia on nhv (jossa v on taajuus ja n = 1, 2, 3, ...). Planckin vakioksi nimetylle vakiolle h on mitattu arvo h=6,626069×10^-34 J·s. Planck sai energiakvantin keksimisestä Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 1918.

Vuonna 1905 Albert Einstein tutki Heinrich Hertzin vuonna 1887 keksimää valosähköistä ilmiötä, jossa metallista irtoaa elektroneja, kun sitä valaistaan tietyn aallonpituuden alittavalla valolla. Einstein keksi että tuleva valo absorboituu kvantteina, ja vain tietyn energian ylittävä valopaketti, fotoni, pystyy irrottamaan elektronin metallista. Tämä oli mielenkiintoinen ajatus, koska Thomas Young oli osoittanut jo 1803, että valon taipuminen hilassa todistaa sen olevan aaltoliikettä. Valon täytyy siis olla yhtä aikaa aaltoliikettä ja hiukkasia. (Katso: aalto-hiukkas-dualismi)

Kokeet vahvistivat ilmiön, ja Einstein sai valosähköisen ilmiön selvittämisestä Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 1921, kolme vuotta Planckin jälkeen.

Katso myös

• kvanttimekaniikka