Квант это в физике кратко
Обновлено: 08.07.2024
В физике квантом называют порцию чего-либо. Например, порцию энергии, углового момента, пространства и т.д. Квантовая физика предполагает, что определенные величины принципиально не могут быть непрерывными и являются проявлением или совокупностью квантов этой величины. Это подтверждается в экспериментах. Отсюда и названия квантовой физики, квантовой механики, квантовой оптики и т.д. Это история вопроса. Сейчас же, говоря о квантах, обычно имеют в виду частицы (например, фотон) или псевдочастицы (например, фонон), которые представляют собой порцию энергии. Т.е. сейчас понятие квант часто употребляют в более узком смыле, чем изначально.
Некоторые кванты
- фотон — квант электромагнитного поля;
- глюон — квант векторного (глюонного) поля в квантовой хромодинамике (обеспечивает сильное взаимодействие);
- гравитон — гипотетический квант гравитационного поля;
- фонон — квант колебательного движения атомов кристалла.
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.
E – энергия;
N – целое число;
ħ – редуцированная постоянна Планка, h/2π; ω – угловая частота, которая и представляет собой приращение фазы волны по времени. 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.
- изучение состава и структуры новых материалов;
- улучшение свойств уже известных соединений;
- изучение процессов, происходящих при взаимодействии разных типов материи.
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:
1. Глюон – квант векторного поля.
2. Гравитон – квант гравитационного поля (предсказан теоретически, но пока его существование не доказано практически).
3. Бозон Хиггса – квант поля Хиггса.
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
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).
Математика и физика
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.
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:
- E – энергия;
- N – целое число;
- ħ – редуцированная постоянна Планка, h/2π;
- ω – угловая частота, которая и представляет собой приращение фазы волны по времени.
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:
- изучение состава и структуры новых материалов;
- улучшение свойств уже известных соединений;
- изучение процессов, происходящих при взаимодействии разных типов материи.
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:
- Глюон – квант векторного поля.
- Гравитон – квант гравитационного поля (предсказан теоретически, но пока его существование не доказано практически).
- Бозон Хиггса – квант поля Хиггса.
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
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).
Математика и физика
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.
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:
- E – энергия;
- N – целое число;
- ħ – редуцированная постоянна Планка, h/2π;
- ω – угловая частота, которая и представляет собой приращение фазы волны по времени.
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:
- изучение состава и структуры новых материалов;
- улучшение свойств уже известных соединений;
- изучение процессов, происходящих при взаимодействии разных типов материи.
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:
- Глюон – квант векторного поля.
- Гравитон – квант гравитационного поля (предсказан теоретически, но пока его существование не доказано практически).
- Бозон Хиггса – квант поля Хиггса.
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
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).
Читайте также: