Kvantespring

Hvad er et kvantespring?

Kvantespring som begreb bruges ofte til at beskrive et meget stort hop. Men hvad er et kvantespring egentlig? Vi dykker ned i fysikken og giver dig forklaringen.

Kvantespring som begreb bruges ofte til at beskrive et meget stort hop. Men hvad er et kvantespring egentlig? Vi dykker ned i fysikken og giver dig forklaringen.

Shutterstock

Begrebet ‘kvantespring’ bruges inden for kvantefysikken til at forklare bevægelsen, når en partikel, for eksempel en elektron, pludselig skifter fra én tilstand til en anden.

Elektroner er negativt ladede partikler, der bevæger sig omkring en atomkerne og kvantespringet beskriver altså en elektrons ‘spring’ mellem banerne.

Det er dog mere præcist at beskrive en elektrons bevægelse som en form for bølge, eftersom elektroner ikke bevæger sig i cirkulære baner om en atomkerne, men snarere bevæger sig som stående bølger omkring atomkernen.

Disse bølgebevægelser kan have mange forskellige mønstre og når elektronen springer mellem mønstrene, kalder man det for et kvantespring.

Kvantespring: Når elektroner springer mellem mønstre

Det er værd at bemærke, at mønstrene ikke er præcise bestemmelser for elektronernes placering. Kvantemekanikken kan nemlig kun bestemme sandsynligheden for, hvor en elektron vil befinde sig i et atom.

Mønstrene skal derfor illustrere sandsynlige placeringer for en elektron, men hvis man forsøgte at lokalisere en enkelt elektron, ville man kun finde den ét sted i mønstret.

Sandsynligheden for en elektrons placering i et atom kaldes også for bølgefunktionen. På billedet nedenfor kan du se bølgefunktioner for et brintatom illustreret som lysende mønstre.

Bølgefunktioner

Her ses bølgefunktioner for en elektron i et brintatom ved forskellige energiniveauer. De lyse områder skal læses som områder med større sandsynlighed for at finde en elektron.

© PoorLeno / Wikimedia commons

Ved et kvantespring ‘springer’ en elektron som nævnt fra ét mønster til et andet. Dette sker, når der er den rette mængde energi til stede.

Hvis atomet optager energi, springer elektronen udad til en højereliggende bane og når atomet mister energi, springer elektronen indad til en lavereliggende bane og udsender en foton, altså en lyspartikel.

Man kan sammenligne bevægelsen med, når to mennesker svinger et sjippetov. Typisk vil tovet danne en bue, men hvis man svinger hurtigt nok, vil sjippetovet lave to buer; sjippetovet har skiftet mønster.

På samme måde vil den rette mængde energi få en elektron til at lave et kvantespring, hvormed den skifter mønster.

Niels Bohr og kvantemekanikken

Elektroner og deres kvantespring er umulige at se med det blotte øje. Alligevel bruges begrebet ‘kvantespring’ i dagligdagen til at betegne et stort og fundamentalt skifte.

Måske skyldes det den skelsættende opdagelse, det var, da den danske fysiker Niels Bohr i 1913 fremlagde sin atommodel og idéen om et ‘kvantespring’.

Med atommodellen kom Niels Bohr nemlig med nogle banebrydende postulater:

For det første, at elektroner kun kan cirkulere om en atomkerne i ganske bestemte baner, kaldet kvantetilstande. For det andet, at en elektron kan foretage kvantespring mellem de to baner.

Niels Bohr

Niels Bohr var en dansk fysiker, der har bidraget til udviklingen af kvantemekanikken og forståelsen af atomets struktur.

© AB Lagrelius & Westphal

Allerede få år efter opgav Niels Bohr og samtidens fysikere forestillingen om, at elektroner bevæger sig i baner som planeter omkring en stjerne og gik over til at betragte dem som en form for bølger.

Atommodellen lagde dog grunden for udviklingen af kvantemekanikken, der i dag bruges til at levere meget præcise forudsigelser af partikler som elektroner og atomers opførsel.

Selvom idéen om kvantetilstande og kvantespring bruges overalt i fysikken i dag, foregår der fortsat intense diskussioner blandt eksperter om, hvordan man bedst forklarer partiklers kvantespring og hvorfor partikler bevæger sig, som de gør.