Kvanttimekaniikan historia

Bohrin atomimalli, elektroni "hyppää" alemmalle energiatasolle ja emitoi fotonin

Kvanttimekaniikka kehitettiin varsinaisesti 1920-luvulla, mutta jo paljon aikaisemmin tunnettiin ilmiöitä, jotka voitiin tyydyttävästi selittää vasta kvanttimekaniikan avulla. Kvanttimekaniikkaa edeltäneitä, vuosina 1900–1925 kehitettyjä teorioita kutsutaan yhteisesti nimellä vanha kvanttiteoria.

Ennen kvanttiteoriaa

Ensimmäinen kvanttimekaniikkaan ja samalla kvanttikemiaan viittaava havainto tehtiin vuonna 1838, jolloin Michael Faraday löysi katodisäteet. Gustav Kirchhoff todisti epäsuorasti väitteen mustan kappaleen säteilystä vuonna 1859. Samana vuonna James Clerk Maxwell kiinnitti huomiota siihen, että useiden aineiden ominaislämpökapasiteetti pienenee alhaisissa lämpötiloissa, vaikka tunnettujen teorioiden mukaan sen olisi pitänyt pysyä vakiona. Hän arveli jo tuolloin, että tämä hänen vapausasteiden jäätymiseksi kutsumansa ilmiö saattaisi osoittautua ongelmaksi, johon klassinen fysiikka kaatuu. Ludwig Boltzmann ehdotti vuonna 1877, että fysikaalisen systeemin energiatilat voivat olla epäjatkuvia.

Planckin ja Einsteinin kvanttiteoria

Kvanttiteorian isänä pidetään yleisesti Max Planckia, joka keksi sähkömagneettisen säteilyenergian syntyvän määräkokoisina paketteina. Tämä oli tulos, johon hän päätyi vuonna 1900 tutkittuaan mustan kappaleen säteilyä ja sen taajuusjakaumaa eri lämpötiloissa. Se oli osoittautunut ongelmalliseksi ja piinannut fyysikoita puoli vuosisataa.

Max Planck esitti vuonna 1900 Saksan fyysikkoseuran kokouksessa, että atomi luovuttaa energiaa epäjatkuvina "paketteina" eli kvantteina. Max Planckin teoriaa pidetään kvanttimekaniikan alkuna, vaikka paljon pohjatyötä tehtiin jo ennen Planckia ja hänen aikalaisiaan.

Planck esitti kaavan, jonka mukaan kvantin energia on suoraan verrannollinen taajuuteen:

$\epsilon =h\nu \,$

• $\epsilon$ on kvantin energia
• $h$ on Planckin vakio
• $\nu$ on taajuus

Max Planckin ehdotus pienistä energiapaketeista toimi täydellisesti kaikilla sähkömagneettisen säteilyn aallonpituuksilla. Tästä huolimatta fyysikot eivät suostuneet suoraan uskomaan Planckin näkemystä, sillä se oli ristiriidassa klassisen fysiikan oppien kanssa. Planck itsekin pyrki sovittamaan teoriansa yhteen klassisen fysiikan kanssa, kuitenkaan onnistumatta.

Albert Einstein selitti valosähköisen ilmiön vuonna 1905. Einstein käytti apunaan ilmiön selittämisessä Planckin aiemmin esittämää kvanttiteoriaa. Valosähköisessä ilmiössä sähkömagneettinen säteily erottaa elektroneja esineiden pinnoista; ilmiö on selvimmin havaittavissa metalleissa. Einsteinin mukaan tämä ilmiö osoitti, ettei säteily ainoastaan synny määräsuuruisena kvantteina vaan säilyttää kvantittumisensa syntynsä jälkeenkin, joten jokainen kvantti myös absorboituu joko kokonaan tai ei ollenkaan. Valokvantti sai nimen fotoni, jota käytti ensimmäisenä Gilbert Newton Lewis vuonna 1926.

Bohrin atomimalli

Pääartikkeli: Bohrin atomimalli

Bohrin malli

Tanskalaisen fyysikon Niels Bohrin atomimallissa olennaisinta oli se, että atomi koostuu positiivisesti varautuneesta ytimestä ja elektronitasoista (aiemmin käytettiin nimitystä energiakuori, mutta parempi olisi käyttää energiatasoa), jotka kiertävät ydintä ympäri ellipsiradoilla. Bohrin mukaan klassisen mekaniikan lait eivät päde, kun elektronit virittäytyvät tai purkautuvat energiatasoilta toisille. Bohrin mallissa elektronit kiertävät energiatasoilla, jolla kullakin on oma ns. kvanttiluku, joka määrittää tason maksimaalisen energian. Jos elektronilla on vähemmän energiaa kuin energiataso sallii, elektroni hyppää alemmalle tasolle ja luovuttaa ylimääräisen energian kvanttina eli fotonina. Bohrin mallilla voidaan selittää muun muassa revontulet.

Bohrin mallissa on heikkouksia, jotka tekevät mallin vääräksi. Mallin yksinkertaisuuden takia sitä opetetaan edelleen kouluissa. Mallin heikkoutena on muun muassa oletus, että elektronit ovat hiukkasia. Nykyään tiedetään elektroneilla olevan sekä hiukkasmainen että aaltoluonne (kts. aaltohiukkasdualismi). Mallissa oletetaan myös, että elektronit kiertävät tarkoilla radoilla. Olettamus on kuitenkin väärä, sillä elektroneilla on vain tietty todennäköisyys sijaita tietyssä avaruuden pisteessä.

Kvanttimekaniikka

Einsteinin valosähköisen ilmiön teoria osoitti, että valolla on sekä aalto- että hiukkasluonne. Vuonna 1924 Louis de Broglie väitti, että samoin on myös elektronien ja muidenkin atomitason hiukkasten laita. Seuraavina vuosina monet fyysikot, erityisesti Werner Heisenberg ja Erwin Schrödinger kehittelivät tätä ajatusta edelleen ja perustivat täten kokonaan uuden fysiikan perusteorian, kvanttimekaniikan.

Termiä kvanttimekaniikka käytti ensimmäisenä Max Born vuonna 1924 ilmestyneessä artikkelissa "Zur Quantenmechanick".

Kvanttimekaniikka kuvaa atomitason tapahtumia, eikä sitä voida soveltaa suuriin kappaleisiin. Kvanttimekaniikan kehittyessä se alkoi saada järjenvastaisia ajatuksia ja sen kritiikki alkoi kasvaa. Kvanttimekaniikkaa ei ole lukuisten yritysten jälkeenkään pystytty osoittamaan vääräksi, päinvastoin.

Kvanttimekaaninen atomimalli

Pääartikkeli: Kvanttimekaaninen atomimalli

Kvanttimekaaninen atomimalli perustuu Schrödingerin yhtälöihin. Mallin mukaan elektronilla on tietty todennäköisyys esiintyä tietyssä paikassa. Fermionien mahdollisia tiloja määrää Paulin kieltosääntö. Kvanttimekaaninen atomimalli on todistettu useilla tarkoilla kokeilla oikeaksi.