אסטרונומים חוקרים גופים גדולים, כמו פלנטות, כוכבים וגלקסיות, אבל ההבנה שלהם נשענת על ידע באינטראקציות המיקרוסקופיות בין חומר לקרינה. למשל, כבר ראינו שהטמפרטורה היא מדד לתנועות המיקרוסקופיות של אטומים ומולקולות. הספקטרום האלקטרומגנטי הוא החלון שלנו אל היקום, אבל כדי להבין איך נוצרת הקרינה, צריך לחזור אל העולם הזעיר של האטום. לפני יותר ממאה שנה, מדענים שחקרו את הקרינה של אטומים עמדו מול שתי תעלומות: אחת תצפיתית, ואחת תאורטית.
באדיבות ויקיפדיה
אסטרונומים שחקרו את הקרינה של כוכבים גילו תופעה מוזרה. בספקטרום הנראה של השמש ושל כוכבים אחרים הם הבחינו במבנים צרים: מלבד הספקטרום התרמי החלק, היו בו קווים בהירים וצרים באורכי גל מסוימים, וקווים כהים וצרים באורכי גל אחרים. מבנים דומים נראו גם בספקטרום של גזים חמים במעבדה. זכרו שהספקטרום הוא מפה של אורכי גל, ומאחר שאורך הגל הפוך לאנרגיה, הספקטרום הוא גם מפה של אנרגיות. ה"קווים הספקטרליים" האלה היו תעלומה, כי לפי הפיזיקה הקלאסית לאטומים יכולה להיות כל אנרגיה שהיא. אם האנרגיה יכולה לקבל כל ערך, ומשתנה באופן חלק ורציף, אין שום דרך להסביר מבנים חדים באנרגיות מסוימות.
באדיבות ויקיפדיה
באדיבות ויקיפדיה
התעלומה השנייה הייתה מבלבלת לא פחות. ארנסט רתרפורד פיתח מודל של האטום: גרעין קטן וצפוף (של פרוטונים ונייטרונים), ומסביבו ענן של אלקטרונים קלים הרבה יותר. לפרוטונים יש מטען חשמלי חיובי, ולאלקטרונים מטען שלילי שווה בגודלו. לאטום של היסוד הפשוט ביותר, מימן, יש פרוטון אחד בגרעין ואלקטרון אחד שמקיף אותו. נראה שהמסלול הזה יכול להימשך לנצח. אבל לפי התאוריה הקלאסית של הקרינה, כל חלקיק טעון שמאיצים אותו פולט קרינה. (כך מייצרים גלי רדיו: מריצים אלקטרונים הלוך ושוב בחוט). חישוב פשוט הראה שהאלקטרון באטום המימן צריך לאבד אנרגיה במהירות, ולנוע בספירלה אל הפרוטון, שמושך אותו בכוח החשמלי. אותו טיעון חל על כל אטום. התאוריה הקלאסית חזתה שאטומים יקרסו בתוך שבריר שנייה – ובכל זאת, החומר הרגיל יציב לגמרי. נדמה היה שהאטומים לועגים לפיזיקאים עצם קיומם!
באדיבות ויקיפדיה
באדיבות ויקיפדיה
באדיבות ויקיפדיה
לפני יותר ממאה שנה, ב-1900, הציע הפיזיקאי הגרמני מקס פלאנק רעיון חדשני שפתר בסופו של דבר את שתי התעלומות. כמו שלחומר יש יחידה יסודית, האטום, הציע פלאנק שגם לאנרגיה יש יחידה יסודית, שנקראת קוונט (ברבים: קוונטים): חומר בולע ופולט אנרגיה לא באופן חלק ורציף, אלא במנות נפרדות. ב-1905 הרחיב איינשטיין את הרעיון לאור עצמו: האור מגיע במנות כאלה, שנקראות היום פוטונים. המהפכה הזו בפיזיקה נקראה תורת הקוונטים. נילס בוהר שילב את תמונת האטום של רתרפורד – גרעין זעיר ואלקטרונים סביבו – עם תורת הקוונטים, והראה איך החומר פולט ובולע פוטונים. במובנים מסוימים האטום דומה למערכת שמש זעירה: גוף מרכזי כבד יחסית, וחלקיקים זעירים שמקיפים אותו. אבל יש הבדל מהותי. במערכת השמש אפשר לדמיין פלנטה בכל מסלול סביב השמש, ולכל מסלול מהירות משלו, ולכן גם אנרגיה משלו. באטום, לעומת זאת, האלקטרונים יכולים להימצא רק במסלולים מסוימים, שנקראים רמות אנרגיה. הפיזיקאים מתארים זאת כך: לאטום יש רמות אנרגיה מקוונטטות, כי רק "כמויות" מסוימות של אנרגיה אפשריות.
באדיבות ויקיפדיה
באדיבות ויקיפדיה
באדיבות ויקיפדיה
איך מסבירה תורת הקוונטים את שתי התעלומות, הקווים הספקטרליים והיציבות של האטום? לפי תורת הקוונטים, יש אנרגיה מינימלית שאלקטרון באטום יכול להחזיק. האלקטרון אינו יכול לאבד אנרגיה באופן רציף, ולכן הוא אינו נע בספירלה אל הגרעין, והאטום אינו קורס. התשובה לתעלומה הראשונה מעניינת במיוחד. אילו אטום יכול היה לקבל או לאבד כל כמות של אנרגיה, הוא היה יכול לפלוט קרינה בכל אורך גל, וכל אורכי הגל האלה היו "ממלאים" יחד ספקטרום חלק ורציף. אבל האלקטרונים נמצאים ברמות אנרגיה מסוימות, ולכן אטומים יכולים לקבל או לאבד רק את האנרגיה שמתאימה למעבר בין שתי רמות. מכאן נובעים כללים לפליטה ולבליעה של קרינה באטומים.
פליטה היא התהליך שבו אלקטרון מאבד אנרגיה בצורת פוטון. בליעה היא התהליך המשלים, שבו אלקטרון מקבל אנרגיה בצורת פוטון. לרמות (או למסלולים) הרחוקות ביותר מהגרעין יש האנרגיה הגבוהה ביותר. כל מעבר בין רמות מתאים לפוטון שהאנרגיה שלו שווה להפרש האנרגיה בין שתי הרמות. התמונה הקלאסית מתאימה למצב שבו רמות האנרגיה מחולקות דק כל כך, שכל רמה אפשרית. בתמונה הקוונטית רמות האנרגיה נפרדות, ולכן אלקטרון יכול לאבד רק כמויות מסוימות של אנרגיה. כך נוצרים קווים חדים בספקטרום, כי כל הפסד אנרגיה מסוים מתאים לאורך גל מסוים של קרינה. זה כמו ההבדל בין החלקה במדרון חלק לבין ירידה במדרגות. במקרה הקלאסי, אלקטרון יכול לרדת ברמת האנרגיה כשהוא מאבד כל כמות של אנרגיה, ולכן המעברים יכולים להיות בכל אורך גל, והספקטרום מתמלא ונעשה חלק ובלי מבנים.
כאנלוגיה לעולם המקוונטט של האטום, חשבו על שני סוגים של חשבון. בסוג הראשון מותר לחבר ולחסר כל שבר או מספר עשרוני. נתחיל, למשל, ב-8: אפשר להוסיף ½, או 1/9, או 2.37, ואפשר לחסר 1/18, או 10.4, או 3.006. אם עושים זאת פעמים רבות, ממלאים את כל ציר המספרים. זה העולם החלק והרציף של הפיזיקה הקלאסית. עכשיו חשבו על חשבון של מספרים שלמים. מתחילים שוב ב-8, ואפשר להוסיף 1 או 4 או 7, או לחסר 2 או 5 או 6. אם עושים זאת פעמים רבות, מקבלים אוסף של מספרים שלמים בלבד. זה העולם הקוונטי. (המספר השלם מקביל לקוונט, וציר המספרים מקביל לספקטרום של אנרגיות או של אורכי גל).
בעולם היומיומי, הטבע המקוונטט של האנרגיה ושל החומר אינו ניכר. אם תכרעו על חוף הים, תראו את הגרגרים הזעירים של סלע שמהם עשוי החול; אבל ממרחק, המרקם נראה חלק ואחיד, והמבנה הגרגרי נעלם. ובחזרה לציר המספרים: אם נתרחק ממנו כל כך שנראה רק סימונים של מיליארדים או טריליונים, לא נבחין במספרים השלמים הבודדים, וציר המספרים השלמים ייראה חלק ורציף. באותו אופן, כל תהליך בעולם היומיומי מערב טריליונים רבים של אטומים או של פוטונים, ולכן ה"גרגריות" של העולם הקוונטי אינה נראית לנו.
באדיבות ויקיפדיה
תורת הקוונטים של הקרינה אולי נראית לכם מוזרה. היא הייתה מוזרה ולא נוחה גם לפיזיקאים רבים! היא התקבלה משום שהיא מתארת היטב מאוד את התנהגות הטבע. ב-1927, כשהפיזיקאים עוד ניסו להתאושש מרעיון הקוונטים, הציע הפיזיקאי הגרמני ורנר הייזנברג רעיון משונה לא פחות. הוא הראה שגדלים כמו אנרגיה, תנע ומיקום אינם מוגדרים בדיוק מוחלט. הרעיון הזה נקרא בפיזיקה עקרון אי-הוודאות של הייזנברג. "אי-ודאות" אינה המילה המוצלחת ביותר לתיאור העיקרון; עדיף לחשוב עליו כעל "אי-דיוק": הטבע קובע גבול לדיוק שבו אפשר למדוד. בפרט, המכפלה של אי-הוודאויות במדידה משותפת של מיקום ושל תנע מוגבלת בידי קבוע פלאנק: Δx × Δp ≥ h/4π. באופן דומה, המכפלה של אי-הוודאויות באנרגיה ובזמן: ΔE × Δt ≥ h/4π. מאחר ש-h הוא מספר זעיר, אי-הדיוק הזה אינו מורגש בחיי היומיום.
המדענים סבורים שהאנלוגיה בין האטום למערכת שמש, עם חלקיקים שהם כמו כדורים קשים במסלולים מסוימים, היא אנלוגיה חלשה. במודל הקוונטי של האטום, האלקטרון אינו גוף נפרד כמו כדור ביליארד: יש לו הסתברות מסוימת להימצא במקומות שונים, ולכן הוא אינו נמצא בנקודה אחת במסלולו, כמו פלנטה. אי-הדיוק שתיאר הייזנברג משמעותי רק בקנה המידה של אטומים ושל חלקיקים תת-אטומיים, והוא אינו מגביל את הידע שלנו על העולם היומיומי. ה"טשטוש" של העולם התת-אטומי אינו נראה לנו.
אפשר לחשוב על האור כעל גל או כעל חלקיק. ובתמונה הקוונטית של העולם התת-אטומי, אפשר לחשוב גם על חלקיק כעל גל. נשווה בין הדרך הקלאסית לדרך הקוונטית להסתכל על חלקיקים ועל גלים. בתמונה הקלאסית, חלקיק הוא משהו בעל שוליים חדים, כמו גולה או כדור מיסב. בתמונה הקוונטית החלקיק "מטושטש" במידה מסוימת, כי יש לו הסתברות להימצא בתחום מסוים של המרחב. אפשר לערוך את אותה השוואה לגבי גל: גל קלאסי נמשך בלי סוף בחלל לשני הכיוונים, ואילו בתמונה הקוונטית האנרגיה של הגל מרוכזת יותר במרחב. בתמונה הקלאסית, חלקיקים וגלים הם ישויות שונות לגמרי; בתמונה הקוונטית הם דומים מאוד!
יש שתי דרכים להסתכל על האלקטרונים באטום. מודל "מערכת השמש הזעירה" הקלאסי אינו מסביר מדוע האלקטרונים מוגבלים למסלולים מסוימים. המודל הקוונטי, לעומת זאת, מבוסס על התכונות הגליות של חלקיקים. אנלוגיה טובה לרמות האנרגיה המקוונטטות של האטום היא אופני הרטט של מיתר פרוט. הרטט של מיתר גיטרה בנוי ממספר שלם של גלים (או חצאי גלים). באותו אופן, כל רמת אנרגיה מתאימה למספר שלם של גלים (ולא לשבר), ולכן למסלולים יש אורכי גל – ואנרגיות – מקוונטטים. אנלוגיית המיתר מתאימה גם משום שהאנרגיה של הגל מפוזרת במרחב, ולא מרוכזת כמו בחלקיק קשה בעל שוליים חדים. הרעיון הקוונטי של חלקיקים כגלים אולי נוגד את האינטואיציה, אבל הוא עוזר להבין מדוע לאטום יש רמות אנרגיה מקוונטטות.
→ הסעיף הקודם: 10.11 ספקטרום תרמי | הסעיף הבא: 10.13 עקרון אי-הוודאות ←