Quanta
Col·laboració de Maria Sosa per al capítol Constants universals
En física el terme quàntum (en plural, quanta) s’utilitza per a referir-se a una unitat elemental i indivisible. És tant el valor mínim que pot prendre una determinada magnitud en el sistema físic com la mínima variació possible d’aquest paràmetre al passar d’un estat discret a un altre.
El descobriment de les lleis de la física quàntica a principis del segle XX va revelar que algunes magnituds físiques no poden prendre qualsevol valor sinó només certs valors concrets, múltiples d’una quantitat base. Aquesta quantitat base és el quàntum, que pot prendre diferents noms depenent de la magnitud de la que estem parlant; així per exemple el quàntum de llum (o d’energia) és el fotó.
Aquest descobriment va suposar un canvi en l’estudi de la física ja que en la física clàssica, tal com va ser estudiada per físics i matemàtics d’abans del segle XX, l’energia es considera contínua. La matèria consisteix en entitats físiques discretes amb tamanys, posicions i moviments específics. En la física quàntica aquest arquetip s’esvaeix en un món confús de naturalesa estàtica. L’energia està quantificada i resulta disponible només en paquets discrets i diminuts (els quanta), en lloc de qualsevol possible quantitat pròpia de la teoria contínua. Aquests quanta actuen de vegades com partícules individuals, però en ocasions com ones, depenent de la situació en la qual s’observin.
La teoria de la mecànica quàntica va començar amb les primeres constatacions que els nivells d’energia en l’escala subatòmica semblaven estar quantitzats en lloc de ser continus. El primer pas cap a aquest punt de vista va provenir del treball de Max Plack (1858-1947) al 1900 sobre la radiació del cos negre. Planck va suggerir que un enigma clàssic, el de la quantitat de radiació despresa d’un cos calent, es podia explicar si la radiació s’emetés en paquets discrets als quals va cridar quanta. Plack va suggerir també que la mida del paquet de radiació estava relacionada amb la freqüència, de manera que a freqüències majors (menors longituds d’ona) l’energia només es podia emetre en grans dosis.
Aquesta teoria explicava perquè l’energia emesa presentava un màxim i després decreixia per a freqüències majors. Ja que només podia emetre’s en trossos molt grans a aquestes altes freqüències, la probabilitat que una partícula qualsevol tingui suficient energia com per a emetre un tros complet era molt petita. Planck va trobar que el tamany del quantum d’energia estava relacionat linealment amb la freqüència: E = hf
On E és l’energia de fotons i h una nova constant cridada actualment com ‘Constant de Planck’ que té un valor aproximat de: h= 6,626 068 96 (33) x 10E-34 J·s
La fórmula de Planck no va ser presa inicialment en consideració perquè al principi no trobava cap justificació per a la seva nova teoria, excepte que encaixava perfectament amb els resultats experimentals.
El pas següent en l’estudi de la radiació quàntica es va donar amb el treball fonamental d’Albert Einstein (1879-1955) al 1905 sobre l’efecte fotoelèctric. Basant-se en el treball de Plack, Einstein va explicar una situació relativa a la quantitat i l’energia dels electrons despresos d’una superfície metàl·lica exposada a la llum. Els estranys resultats, només es podien explicar si la radiació absorbida per la superfície de metall estigués limitada a certes quantitats de l’energia en lloc d’adoptar valors d’energia continus com fins llavors es pensava.
Els treballs de Einstein i de Planck estaven en desacord amb la teoria de l’electromagnetisme de Maxwell (1831- 1879), que havia unificat les ones elèctriques i magnètiques en una construcció matemàtica. El lloc d’això, des del nou punt de vista quàntic, les energies quedaven restringides a valors particulars. Així que els conceptes de la mecànica clàssica van ser adaptats lleugerament per a tenir en compte el fet que es permetien només certes quantitats definides d’energia.
Un exemple de la manera que algunes quantitats rellevants d’un sistema físic estan quantitzades ho trobem en el cas de la càrrega elèctrica d’un cos, que només pot prendre un valor que sigui un múltiple sencer de la càrrega de l’electró.
En definitiva, el descobriment dels quanta va suposar un altre nivell d’estudi de la física, denominat actualment física quàntica o mecànica quàntica. És una de les branques principals de la física i un dels grans avenços del segle XX per al coneixement humà. El seu objectiu és aprofundir en el comportament de la matèria i de l’energia des dels elements més petits de la matèria, és a dir, en el rang de les molècules, àtoms i partícules subatòmiques.
Col·laboració de Maria Sosa per al capítol Constants universals