KWANTUMTHEORIE

KWANTUMTHEORIE

Kwantumtheorie is het model dat we gebruiken voor de bewegingen op de schaal van atomen of kleiner

Die verschilt erg van de ons vertrouwde klassieke mechanica. Iedereen die niet geschokt is door kwantumtheorie heeft het niet begrepen.

De ontwikkeling van kwantumtheorie aan het begin van de 20e eeuw loste verschillende grote natuurkundige puzzels van die tijd op en liet het gedrag van subatomaire deeltjes in niet leek op de dagelijkse macroscopische wereld. De gevolgen van de kwantumrevolutie is nog steeds voelbaar.

Kwantumtheorie begon als een wiskundige trucje. Rond het begin van de 20e eeuw verklaarden twee tegenstrijdige theorieën het verschijnsel ‘zwarte straler”. Veel mensen weten dat als licht een object raakt, donkere objecten warmer worden dan lichtere, omdat zwart meer elektromagnetische straling van het licht absorbeert. Een zwarte straler is een geïdealiseerd object dat elk beetje elektromagnetische straling dat het opvangt, absorbeert. Hiermee is het tegelijkertijd een zuivere stralingszender. Bij een willekeurige temperatuur zendt het lichaam op verschillende golflengten elektromagnetische trillingen uit. Dit bereik kan als een curve worden weergegeven. De ene theorie beschreef dit correct voor langere golflengten en lagere energieniveau’s de andere beschreef het correct voor kortere golflengten en hogere energieniveau’s. Het probleem was dat geen van beide theorieën op het totale stralingsbereik paste.

Plancks idee

In 1900 kwam de Duitse natuurkundige Max Planck met een briljant nieuw model. Omdat de uitgezonden energie van een zwarte straler afkomstig moest zijn van trillingen in het lichaam zelf, moest die energie volgens Plancks dan ook alleen in duidelijk gedefinieerde en afzonderlijke golflengten worden uitgezonden. Hij ging ervan uit dat de energie afkomstig was van bewegende atomen, waarbij de bewegingen alleen bepaalde harmonische modi kennen. Als een atoom zijn bewegingsmodus veranderde, kwam straling vrij. Bij elke willekeurige temperatuur zouden er grote of kleine veranderingen minder vaak voorkomen dan veranderingen in het middenbereik, en de verdeling van golflengten zou de vorm van de zwarte stralingscurve bepalen. Niemand dacht op dat moment dat Plancks idee veel nieuw over de aard van licht of materie vertelde. Dankzij de jonge onderzoeker Albert Einstein werd toch nog de volgende stap genomen.

Einstein lichtkwanta

Einstein ging nog een stap verder dan Planck en suggereerde dat licht zelf gekwantificeerd was. Volgens hem was het verdeeld in discrete bundels, of kwanta, met elk eigen golfachtige frequenties, golflengten en energie. We kennen dit nu als fotonen. Om een elektron van het geladen oppervlak vrij te laten komen, was volgens Einstein de absorptie van een foton met de juiste golflengte van infraroodfotonen niet kort genoeg en hun energie niet hoog genoeg was, zou er hoe dan ook geen lading vrijkomen.

Van Bohr tot de Broglie

Het duurde even voordat de betekenis van deze uitleg doordrong. Een van de eerste die begreep dat hiermee iets fundamenteeld over de werking van licht en atomen werd gezegd, was de Deense natuurkundige Niels Bohr. In 1913 loste Bohr met behulp van Einstein oplossing een ander langlopend probleem met licht en atomen op, namelijk de exacte en unieke aard van uitgestraalde lichtgolven bij bepaalde, in een laboratorium verwarmde materialen. Bohr modelleerde de structuur van een atoom met behulp van in schillen rond de atoom cirkelende elektronen waarvan de afstand tot de kern hun energie bepaalde. Zo kon hij de uitstralingsspectra van atomen uitdrukken met fotonen die vrijkomen als elektronen tussen de verschillende schillen springen. Toch miste Bohrs kwantummodel van het atoom een theoretische basis. Bovendien voorspelde het model alleen nauwkeurig de uitstoot van waterstof, het eenvoudigste atoom. Dit was pas het begin van het verhaal.

Volgende hoofdstuk  Louis Victor de Broglie

Het volgende hoofdstuk werd in 1924 geopend door de jonge Franse natuurkundige Louis Victor de Broglie. In zijn proefschrift stond de uiterst gewaagde stelling: ‘Als licht de eigenschappen van zowel een golf als een deeltje kan hebben, zou materie dan de eigenschappen van een deeltje en van een golf kunnen hebben?’ De Broglie ondersteunde zijn stelling dat dualiteit van golven en deeltjes mogelijk buiten licht in materie zelf bestond met een theoretische berekening van de golflengte van een deeltje. Een dergelijke golflengte bleek omgekeerd evenredig aan de massa van het betreffende deeltje en wordt haast onzichtbaar klein voor elk object boven atomaire schaal. Maar op subatomair niveau was de golflengte meetbaar en tegen 1927 hadden wetenschappers van twee afzonderlijke laboratoria aangetoond dat elektronen op dezelfde manier invloed op elkaar uitoefenden en elkaar afbogen als lichtfotonen dat bij elkaar doen.

Author: Y Comak