Kvantesprang

Hva er et kvantesprang?

Kvantesprang som begrep brukes ofte til å beskrive et veldig stort hopp. Men hva er egentlig et kvantesprang? Vi utforsker fysikken og gir deg forklaringen.

Kvantesprang som begrep brukes ofte til å beskrive et veldig stort hopp. Men hva er egentlig et kvantesprang? Vi utforsker fysikken og gir deg forklaringen.

Shutterstock

Begrepet «kvantesprang» brukes innen kvantefysikken til å forklare bevegelsen når en partikkel, for eksempel et elektron, plutselig skifter fra én tilstand til en annen.

Elektroner er en partikler med negativ ladning som beveger seg rundt en atomkjerne, og kvantespranget beskriver altså et elektrons «sprang» mellom banene.

Det er imidlertid mer presist å beskrive et elektrons bevegelse som en form for bølge, ettersom elektroner ikke beveger seg i bane rundt en atomkjerne, men snarere beveger seg som stående bølger rundt den.

Disse bølgebevegelsene kan ha mange ulike mønstre, og når elektronet hopper mellom mønstrene, kaller man det for et kvantesprang.

Kvantesprang: Når elektroner hopper mellom mønstre

Det er verdt å påpeke at mønstrene ikke er presise bestemmelser for elektronenes plassering. Kvantemekanikken kan nemlig bare bestemme sannsynligheten for hvor et elektron vil befinne seg i et atom.

Mønstrene skal derfor illustrere sannsynlige plasseringer for et elektron, men hvis man forsøkte å finne et enkelt elektron, ville man bare finne den ett sted i mønsteret.

Sannsynligheten for et elektrons plassering i et atom kalles også for bølgefunksjonen. På bildet under kan du se bølgefunksjoner for et hydrogenatom illustrert som mønstre.

Bølgefunksjoner

Her ser vi bølgefunksjoner for et elektron i et hydrogenatom ved ulike energinivåer. De lyse områdene skal leses som områder med større sannsynlighet for å finne et elektron.

© PoorLeno/Wikimedia commons

Ved et kvantesprang «hopper» et elektron som nevnt fra ett mønster til et annet. Dette skjer når det er den rette mengden energi til stede.

Hvis atomet tar opp energi, hopper elektronet ut til en høyereliggende bane, og når atomet mister energi, hopper elektronet innover til en lavere bane og sender ut et foton, altså en lyspartikkel.

Man kan sammenligne bevegelsen med når to mennesker svinger et hoppetau. Vanligvis vil tauet danne en bue, men hvis man svinger raskt nok, vil hoppetauet lage to buer; hoppetauet har skiftet mønster.

På samme måte vil den rette mengde energi få et elektron til å lage et kvantesprang – slik at den skifter mønster.

Niels Bohr og kvantemekanikken

Elektroner og kvantesprang er umulig å se med det blotte øye. Likevel brukes begrepet «kvantesprang» i hverdagen til å beskrive et stort og fundamentalt skifte.

Kanskje skyldes det den avgjørende oppdagelsen det var da den danske fysikeren Niels Bohr i 1913 la fram sin atommodell og ideen om et «kvantesprang».

Med atommodellen kom Niels Bohr nemlig med noen banebrytende postulater:

For det første at elektroner bare kan sirkulere rundt en atomkjerne i ganske bestemte baner, som kalles kvantetilstander. For det andre at et elektron kan foreta kvantesprang mellom de to banene.

Niels Bohr

Niels Bohr var en dansk fysiker som har bidratt til utviklingen av kvantemekanikken og forståelsen av atomets struktur.

© AB Lagrelius & Westphal

Allerede noen få år etter ga Niels Bohr og samtidens fysikere opp forestillingen om at elektroner beveger seg i baner, som planeter rundt en stjerne, og gikk over til å betrakte dem som en form for bølger.

Atommodellen la imidlertid grunnlaget for utviklingen av kvantemekanikken, som i dag brukes til å levere veldig presise spådommer av partikler som elektroner og atomer.

Selv om ideen om kvantetilstander og kvantesprang brukes overalt i fysikken i dag, foregår det fortsatt intense diskusjoner blant eksperter om hvordan man best forklarer partiklers kvantesprang og hvorfor partikler beveger seg som de gjør.