معنی لفظی کوانتوم (quantum) بسته یا دانه می باشد. در واقع این واژه، یک واژه لاتین است که برای مقدار استفاده می شود. اصطلاح کوانتوم در فیزیک، برای مقادیر گسسته از هر کمیت فیزیکی (به عنوان مثال بار الکتریکی، تکانه، انرژی و …) استفاده می شود. بنابراین به کمترین مقدار و کوچک ترین واحد مجزای ممکن آن کمیت، مقدار پایه و یا یک کوانتوم می گویند. در این مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک، توضیحات بیشتری در رابطه با کوانتوم ارائه شده است.

کوانتوم و نظریه کوانتومی چه می گوید ؟

نظریه کوانتومی برای اولین بار از ایده های ماکس پلانک (Max Planck) در سال ۱۹۰۰ شروع شد. از دیدگاه پلانک اتم ها انرژی را تنها در کمیت های معینی به نام کوانتم می توانند ساطع کنند. نظریه کوانتومی مشخص کرد که انرژی همزمان هم به صورت موج و هم به صورت ذره رفتار می کند. بنابراین کلمه کوانتوم هم معنی با ذرات موج مانند است. در واقع این کلمه در مورد مواردی کاربرد دارد که همزمان هم دارای خاصیت موجی و هم دارای خاصیت ذره ای باشند.

لازم به ذکر است که مسئله ای که باعث شد تا فیزیکدانان به مفهوم کوانتوم پی ببرند، طیف نشری خطی اتم هیدروژن بود که با قوانین فیزیک کلاسیک قابل توجیه نبود. دانشمندان و محققان با کمک نظریه کوانتومی خواص اتم ها، مولکول ها و مواد را به طور دقیق محاسبه می کنند. این نظریه برای طراحی قطعات الکترونیکی جدید مورد استفاده قرار می گیرد. بدون نظریه کوانتومی هیچ رایانه، تبلت، تلفن همراه، وسایل هوشمند و سایر اختراعات جدید ساخته نمی شد.

کمیت های کوانتیده در کوانتوم

تعداد کمیت ‌های کوانتیده شناخته شده در فیزیک محدود می باشند. از جمله این کمیت ها می توان به بار الکتریکی، انرژی و رسانایی الکتریکی اشاره کرد. مثلا در فیزیک کلاسیک فرض می ‌شد که بار الکتریکی مقادیری پیوسته است، پس هر مقدار دلخواه از آن را می ‌توان جدا کرد. از طرفی همانطور که می دانید انرژی یک الکترون کمیتی کوانتیده است. به عنوان مثال به کوانتوم انرژی برای امواج الکترومغناطیسی همانند نور، فوتون می گویند.

همچنین اگر رسانایی در فیزیک کوانتوم را در نظر بگیرید، مشخص می شود که جریان الکتریکی با تغییر ولتاژ الکتریکی به صورت پله ‌ای افزایش پیدا می کند نه به ‌طور پیوسته. در واقع رسانایی می‌ تواند فقط مضرب صحیحی از یک کوانتوم رسانایی را داشته باشد.

مفهوم کوانتیده، مقادیر مشخصی دارد، بنابراین به سادگی قابل تعریف و فهمیدن می باشد. اما توجه داشته باشید که یک کمیت کوانتیده می تواند فقط مضرب صحیحی از کوانتوم را داشته باشد. مثلا مقدار بار الکتریکی یک مداد که در اثر مالش باردار شده، هیچگاه ۱۰/۵ برابر بار الکتریکی یک الکترون نخواهد بود (e 10/5)، بلکه همواره مضرب درست و صحیحی از بار الکتریکی یک الکترون می باشد (مثلا e 10 یا e 100). در حقیقت همانطور که بیان شد بار الکتریکی یک جسم کمیتی کوانتیده است.

برای آنکه مفهوم کوانتوم را بهتر متوجه شوید تعداد گوسفند های یک مزرعه را در نظر بگیرید. به عنوان مثال در مزرعه تعداد گوسفند ها همواره مضرب صحیحی از اعداد می باشد، مثلا ۵۸ گوسفند. ما هیچگاه تعداد ۵۸/۷ گوسفند در مزرعه نداریم.

ناتوانی های فیزیک کلاسیک

در سال های پایانی قرن نوزدهم، محققان پديده هايي را مشاهده كردند كه ديگر با فيزيك كلاسيك قابل توجيه نبودند. در این زمان محدودیت های فیزیک کلاسیک مشخص شد و این امر سبب گشت تا قوانین و نظریه هایی (فيزيك جديد یا فیزیک نوین) حاصل شود تا پدیده ها و آزمایش‌ های غیر قابل توصیف در مکانیک کلاسیک را توجیه کند. پایه و اساس فيزيك جديد را دو نظريه کوانتوم و نسبیت تشكيل مي دهند. در ادامه به چند مورد از محدودیت های فیزیک کلاسیک می پردازیم.

تابش جسم سیاه

هر جسم جامدی، کسری معین از تابش فرودی بر سطح خود را جذب کرده و بقیه این تابش را بازتاب می کند. جسم سیاه ایده آل، جسمی است که تمام تابش فرودی را بدون هیچ بازتابی جذب کند. فیزیک کلاسیک در توجیه منحنی ‌های مشاهده شده تجربی در مورد تابش جسم سیاه با شکست مواجه شد.

تابش جسم سیاه