2
2. POJAM KVANTNE FIZIKE
Kvantna fizika je poznata i pod pojmovima kvantne mehanike i kvantne teorije. Ona je grana
fizike koja pokušava objasniti ponašanje materije, njene interakcije s energijom na atomskoj
razini i subatomske čestice. Zasnovana je na shvatanju da je energija koju sadrži neki fizikalni
sustav kvantizirana, odnosno da je određena na pojedine odvojene vrijednosti, što znači da ne
može primati sve vrijednosti u neprekidnom nizu. Za razliku od kvantne, klasična fizika se
bavi samo objašnjenjem materije i energije na razini ljudskog iskustva, uključujući i
astronomska tijela i pojave.
3
Klasična fizika se i dalje često upotrebljava u sklopu moderne znanosti i tehnologije.
Međutim, krajem 19. vijeka znanstvenici su otkrili brojne fenomene koje klasična fizika nije
mogla objasniti. Kada su se sagledale granice klasične fizike, nastupile su dvije revolucije
koje su značajno promijenile paradigmu znanosti općenito: teorija relativnosti i razvoj
kvantne mehanike.
4
Mnogi aspekti kvantne fizike mogu da djeluju paradoksno jer objašnjavaju sasvim drugo
ponašanje od onog koje se može osmotriti na razini ljudskog iskustva. Kvantni fizičar Richard
Feynman je izjavio da se kvantna fizika nosi s prirodom onakva kakva jest: apsurdna.
3
Hrvatska enciklopedija (2016). ''Kvantna fizika'', dostupno na:
http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?
ID=34872
(pristupljeno 02.02.2017.)
4
Kuhn, T., (2012). ''The Structure of Scientific Revolutions'' The University of Chicago Press
3
3. RAZVOJ KVANTNE FIZIKE
Razvoj kvantne fizike se desio u nekoliko koraka. Prvi period je trajao od kraja 19. vijeka pa
do početka 20. vijeka. U ovom periodu je postojalo samo nekoliko saznanja koja su
prikupljena putem eksperimenata, a dotadašnja klasična fizika ih nije bila u stanju objasniti.
Broj tih fenomena je bio malen, zbog čega je smatrano da je dosegnut kraj razvoja fizike.
Eventualno je to razmišljanje pobijeno, jer su fizičari tog doba počeli otkrivati revolucionarne
teorije koje su u potpunosti promijenile i proširile fiziku kao znanost.
3.1. Kvantizacija svjetla – Planck i Einstein
Od otkrića elektrona je postalo jasno da su izvori svjetlosti titraju elektrona u atomu. Elektron,
dok se kreće u atomu, emitira svjetlo na isti način na koji antena šalje radiotalase dok u njoj
titra električna struja. Međutim, atomska hipoteza u proračunima termalnog spektruma nije
bila općenito prihvaćena.
5
U svijetu fizike je poseban fenomen bio zračenje crnog tijela. Termalna radijacija je
elektromagnetna radijacija sa površine određenog predmeta zbog unutarnje energije tog
predmeta. Ako je predmet dovoljno zagrijan, počinje emitovati crveno svjetlo. Daljnje
zagrijavanje mijenja boju u žuto, pa bijelo i konačno plavo jer počinje emitovati svjetlo na
višim i kraćim frekvencijama. Savršeni emiter je istodobno i savršeni apsorber. Kada je
hladan, predmet je u potpunosti crn, jer apsorbuje svo svjetlo koje pada na njega i ne emituje
nikakvo. Iz tog razloga se idealni termalni emiter naziva crnim tijelom i radijacija koju on
emituje se naziva radijacijom crnog tijela.
U kasnom 19. vijeku termalna radijacija je bila eksperimentalno dovoljno karakterizirana.
Problem se pojavljivao kod određivanja točnih i konzistentnih rezultata kako na niskim, tako i
na visokim frekvencijama. Univerzalnu spektralnu funkciju koja opisuje emisijski spektrum
apsolutno crnog tijela uveo je u praksu fizičar Kirchoff 1859. godine. Mjerenje ovoga je bilo
5
Bedalov, I., (2013). ''Razlozi za kvantnu teoriju'', Čemu: časopis studenata filozofije, Vol.9, Nr.21, str. 17-62
5
Prvi model koji je mogao objasniti čitav spektrum termalne radijacije je donio njemački
znanstvenik Max Planck 1900. godine. Planck se u svojim izračunima također koristio
Boltzmannovom statistikom, mađutim, on je znao odgovor koji je tražio, te je prekinuo
izračun Boltzmannove statistike na onom dijelu kada se zbrajanjem pojedinačnih čestica
dobiva sveukupna energija koja dovodi ultraljubičaste katastrofe. On se nije fokusirao samo
na zračenje, nego i na način na koji atomi koji osciliraju emituju i apsorbuju energiju. On je
pretpostavio da čestice koje osciliranjem emituju i stvaraju energiju mogu emitovati samo
strogo određenu količinu energije. Drugim riječima, energija koju emituju je kvantizirana.
Količina energije koja je raspoloživa se može podijeliti na ograničen broj dijelova jer
oscilatori ne mogu primati bilo kakve iznose, nego samo određene količine energije. Količina,
odnosno kvantum energije koja se emituje je proporcionalna frekvenciji čestice koja oscilira:
Planckova konstanta. Tako će u dijelu spektra koji ima nisku frekvenciju mnogo atoma
emitovati niskoenergetske kvante, što ne doprinosi povećanju energije u tom dijelu spektra.
Da bi došlo do promjene boje predmeta, potrebno je povisiti mu temperaturu. Jedino će kod
srednjih frekvencija biti mnogo atoma koji mogu apsorbirati i emitovati dovoljno velike
kvante koji će dovesti do značajnog povećanja spektralne funkcije. Povećavanjem
temperature predmeta dozvoljava mu da emituje više energije što znači da se proporcija
energije počinje kretati prema ljubičastom kraju spektruma. Emisija samo nekoliko
visokoenergetskih kvanta ne može se, međutim, pokazati značajnom u funkciji iz razloga jer
ih je samo nekoliko. Danas znamo da je Planckova formula uzdrmala same temelje klasične
fizike. Planckov zakon je bila prva kvantna teorija u fizici, za koju je znanstvenik dobio
Nobelovu nagradu 1918. godine.
8
8
Kragh, H., (2000). ''Max Planck: the reluctant revolutionary'' dostupno na:
http://physicsworld.com/cws/article/print/2000/dec/01/max-planck-the-reluctant-revolutionary
(pristupljeno
03.02.2017.)
