Inom kvantfysiken används begreppet ”kvantsprång” för att förklara den rörelse en partikel, exempelvis en elektron, gör när den plötsligt växlar från ett tillstånd till ett annat.
Elektroner är negativt laddade partiklar som rör sig runt en atomkärna – och kvantsprånget beskriver alltså elektronernas ”språng” mellan olika banor.
Det är dock lite missvisande. Det vore mer korrekt att beskriva elektronens rörelse som en form av våg, eftersom elektroner inte rör sig i cirkulära banor runt en atomkärna, utan snarare förflyttar sig i stående vågor runt atomkärnan.
Vågrörelserna kan ha flera olika mönster och när elektronen hoppar mellan mönstren kallar man det ett kvantsprång.
Kvantsprång: När elektroner hoppar mellan mönster
Det är viktigt att notera att mönstren inte anger elektronernas exakta placering. Kvantmekaniken kan nämligen bara bestämma sannolikheten för var en elektron kommer att befinna sig i en atom.
Mönstren illustrerar därför elektroners sannolika placeringar, men om man försökte lokalisera en enskild elektron skulle man bara hitta den någonstans i mönstret.
Sannolikheten för en elektrons placering i en atom kallas också vågfunktion. På bilden nedan ser du vågfunktioner för en väteatom illustrerade som lysande mönster.
Här ser du en elektrons vågfunktioner i en väteatom vid olika energinivåer. De ljusa områdena ska ses som områden som mer sannolikt innehåller en elektron.
Vid ett kvantsprång ”hoppar” en elektron som sagt från ett mönster till ett annat. Det kräver att det finns rätt mängd energi.
Om atomen tar upp energi hoppar elektronen utåt till en högre liggande bana och när atomen förlorar energi, så hoppar elektronen inåt till en lägre liggande bana. Samtidigt avger den en foton, det vill säga en ljuspartikel.
Man kan jämföra rörelsen med två personer som hoppar hopprep. Vanligtvis bildar hopprepet en båge, men om man snurrar det tillräckligt snabbt bildar hopprepet två bågar; hopprepet har alltså bytt mönster.
På samma sätt får rätt mängd energi en elektron att göra ett kvantsprång och därmed byta mönster.
Niels Bohr och kvantmekaniken
Det går inte att se elektroner och deras kvantsprång med blotta ögat. Ändå används begreppet ”kvantsprång” i vardagen för att beteckna en stor och fundamental förändring.
Det hänger kanske ihop med att det var en så eopkgörande händelse när den danske fysikern Niels Bohr 1913 lade fram sin atommodell och idén bakom ett ”kvantsprång”.
Med atommodellen presenterade Niels Bohr nämligen ett par banbrytande teser:
För det första kan elektroner bara cirkulera runt en atomkärna i mycket bestämda banor, kallade kvanttillstånd. För det andra kan en elektron göra kvantsprång mellan banorna.
Niels Bohr var en dansk fysiker som bidrog till utvecklingen av kvantmekaniken och förståelsen av atomens struktur.
Redan efter att par år gav Niels Bohr och samtida fysiker upp föreställningen om att elektroner rör sig i banor som planeter runt en stjärna och gick över till att betrakta dem som en typ av vågor.
Atommodellen lade dock grunden för utvecklingen av kvantmekaniken, med hjälp av vilken man i dag med mycket hög precision kan förutsäga beteendet hos partiklar som elektroner och atomer.
Trots att begreppen ”kvanttillstånd” och ”kvantsprång” i dag används överallt inom fysiken, så pågår det fortfarande hetsiga diskussioner bland experter om hur partiklars kvantsprång bör förklaras och varför partiklar rör sig som de gör.