Energikvantisering

Energikvantisering är principen att vissa fysiska storheter endast kan anta specifika diskreta värden snarare än ett kontinuerligt spann. Inom kvantmekanik uppträder energinivåer särskilt tydligt i bundna system, där vågfunktionen måste uppfylla särskilda randvillkor och där energi därför inte kan anta vilket värde som helst utan måste ligga på vissa punkter.

Historien började med Plancks arbete om svartkroppsstrålning 1900, där energi kom i kvanta. Detta följdes av Bohrs atommodell 1913 som förklarade väteatomens spektrum, och senare utvecklades kvantmekaniken fullt ut. Idén om kvantisering visas nu generellt i olika system, bland annat elektromagnetiska vågor och elektroners rörelse i atomer.

Exempel på energikvantisering är elektronernas energi i atomer. I väteatomen kan nivåerna betecknas som E_n = -13,6 eV / n^2 (n = 1, 2, …). I en kvantskoscillator, som beskriver vibrationer, är energinE_n = ħω (n + 1/2). Energin hos ett ljus E = h f innebär att fotoner bär energi i konkreta enheter. Övergångar mellan energinivåer leder till utsändning eller absorption av fotoner och därmed till spektra med färgade linjer.

Bevis för energikvantisering kommer från experiment som observationer av spektra, svartkroppsstrålning och fotoeffekten. Dessa resultat stödjer att energi inte kan vara godtycklig utan kommer i diskreta paket.

Betydelse och tillämpningar är breda: kvantiseringen är grundläggande för modern fysik och teknik, inklusive halvledare, laserteknik, LED och kvantdots, där övergångar mellan diskreta energinivåer används för att kontrollera ljus och elektronik.