Mikä on kvanttihyppy?

Arkikielessä kvanttihyppy tai kvanttiloikka on merkittävä siirtymä tai edistysaskel. Mutta mitä se oikeasti tarkoittaa fysiikassa? Tästä taas vastauksen.

Arkikielessä kvanttihyppy tai kvanttiloikka on merkittävä siirtymä tai edistysaskel. Mutta mitä se oikeasti tarkoittaa fysiikassa? Tästä taas vastauksen.

Shutterstock

Kvanttifysiikassa kvanttihyppy tarkoittaa hiukkasen, esimerkiksi elektronin, siirtymää energiatasolta toiselle. Kvanttifysiikka tutkii atomia ja sitä pienempiä hiukkasia.

Elektronit ovat negatiivisesti varautuneita hiukkasia, joiden kuvataan kiertävän atomiydintä. Kvanttihypyssä elektroni ikään kuin hyppää radalta toiselle.

Täsmällisempää olisi kuitenkin kuvata elektronin liikettä aaltona, sillä elektronit eivät oikeasti kierrä pyöreää rataa atomiytimen ympäri, vaan ne pikemminkin ovat seisovassa aaltoliikkeessä atomiytimen ympärillä.

Seisovalla aallolla voi olla erilaisia kuvioita. Kvanttihypystä puhutaan, kun elektroni hyppää kuviosta toiseen.

Kvanttihyppy: Elektroni hyppää kuviosta toiseen

Aallon kuvio ei kuitenkaan tarkalleen määritä elektronin sijaintia. Kvanttifysiikan keinoin voidaan määrittää vain todennäköisyys sille, missä kohtaa atomia elektroni ehkä sijaitsee.

Aaltokuvio siis kuvaa elektronin todennäköisiä sijaintipaikkoja atomissa. Jos yksittäinen elektroni voitaisiin paikantaa, se olisi vain yhdessä tietyssä kuvion kohdassa.

Elektronin sijainnin todennäköisyyttä atomissa kutsutaan myös aaltofunktioksi. Alla olevassa kuvassa on kuvattu vetyatomin aaltofunktioita vaaleina kuvioina.

Aaltofunktioita

Vetyatomin elektronin aaltofunktioita eri energiatasoilla. Elektroni sijaitsee todennäköisimmin vaaleilla alueilla.

© PoorLeno / Wikimedia commons

Kvanttihypyssä elektroni siis siirtyy yhdestä aaltokuviosta toiseen. Hyppyyn tarvitaan oikea määrä energiaa.

Jos atomi vastaanottaa energiaa, elektroni hyppää ulommalle tasolle. Jos taas atomi menettää energiaa, elektroni siirtyy sisemmälle tasolle. Samalla vapautuu fotoni eli valohiukkanen.

Tapahtumaa voi verrata tilanteeseen, jossa kaksi ihmistä hyppää samalla hyppynarulla. Tavallisesti naru muodostaa kaaren, mutta jos narua pyöritetään tarpeeksi nopeasti, naru tekee kaksi kaarta. Se on siis vaihtanut kuviota.

Samalla tavalla oikea määrä energiaa saa elektronin tekemään kvanttihypyn eli vaihtamaan kuviota.

Niels Bohr ja kvanttimekaniikka

Elektroneja ja niiden kvanttihyppyjä ei voi nähdä paljain silmin. Arkisessa puheessa kvanttihypyllä tarkoitetaankin merkittävää muutosta tai edistysaskelta.

Sanan arkikielinen merkitys saattaa olla perua siitä, miten merkittävänä ajatusta kvanttihypystä pidettiin, kun tanskalaisfyysikko Niels Bohr esitti sen yhdessä atomimallinsa kanssa vuonna 1913.

Bohrin esittämään atomimalliin liittyi postulaatteja eli oletuksia, jotka olivat aikanaan mullistavia.

Ensinnäkin hän esitti, että elektronit kiertävät atomin ydintä kiertoradoilla, joita hän kutsui kvanttitiloiksi. Toiseksi elektroni pystyy tekemään kvanttihypyn eli siirtymään radalta toiselle.

Niels Bohr

Niels Bohr oli tanskalainen fyysikko, joka on vaikuttanut suuresti kvanttifysiikan tutkimukseen ja ymmärrykseen atomin rakenteesta.

© AB Lagrelius & Westphal

Jo muutama vuosi myöhemmin Bohr ja muut fyysikot luopuivat ajatuksesta, että elektronit liikkuisivat kiertoradoilla niin kuin planeetat Auringon ympärillä. Sen sijaan elektronit alettiin nähdä aaltoina.

Puutteistaan huolimatta Bohrin atomimalli loi perustan sen kvanttifysiikan tietämyksen kehittymiselle, jolla nykyään ennustetaan elektronien ja muiden alkeishiukkasten ja atomien käyttäytymistä.

Vaikka ajatus kvanttitiloista ja kvanttihypyistä on nykyään fysiikan perusoppeja, fyysikot käyvät yhä keskustelua siitä, miten kvanttihyppy ja hiukkasten liikkeet voitaisiin parhaiten selittää.