Biofyzika

1.3 Kvantové jevy


Zákony klasické fyziky nepostačují pro popis jevů probíhajících v mikrosvětě  atomů nebo molekul a při interakcích částic. V této oblasti přírody se setkáváme s fyzikálními veličinami, u kterých lze stav spočítat pouze v rámci určité pravděpodobnosti, jejich hodnoty se mění nespojitě. Je to dáno tím, že systémy z nich utvářené, tj. atomy nebo molekuly mají částicový i vlnový charakter. Tento korpuskulárně-vlnový dualismus byl experimentálně ověřen například na vlastnostech světla. Interference a difrakce světla prokazují, že světlo je vlnění. Naopak fotoefekt prokazuje, že se šíří v kvantech energie, nazývaných fotony.

V kvantové fyzice se často setkáme s fyzikální veličinou nazývanou účinek, jejíž fyzikální rozměr je dán součinem energie a času a jejíž jednotka je tedy Js. Podobně jako v teorii relativity je základní konstantou rychlost světla ve vakuu c, je v kvantové mechanice základní konstantou kvantum účinku ћ = 1,05.10-34 Js, nazývané Diracova konstanta. Diracova konstanta je svázána s Planckovou konstantou ћ = 6,63.10-34 Js převodním vztahem ћ = h/2π. Tyto konstanty vystupují v důležitých vztazích, které kvantitativně spojují částicový a vlnový charakter hmoty.
Jedním z takových je vztah mezi energií E fotonu a frekvencí f světelné vlny a její vlnové délky λ 


                              
kde c je rychlost šíření světla ve vakuu.

Elektromagnetické spektrum je vlnění od radiových vln, mikrovln, vlnění tepelné, což je infračervené vlnění až do ultrafialové části spektra, RTG a gama. Uvážíme-li, jak moc se liší energie, pak je také její detekce je rozdílná. Vlnění s frekvencí řádu 105-1010 Hz se detekuje pomocí radiotechnických metod jako je např. elektromagnetická indukce. Jelikož fotony mají při těchto frekvencích poměrně malou energii, je toto záření neškodné pro biologickou tkáň. Proto se tyto frekvence v hojné míře využívají třeba pro přenos rádiových nebo televizních signálů a v lékařské diagnostice u magnetické rezonance. S frekvencemi řádu 1011-1014 Hz je spojeno infračervené záření, které vysílá každé těleso s teplotou vyšší než absolutní nula v závislosti na své teplotě (vyzařovací frekvence roste s teplotou). Toto záření se registruje tepelnými metodami (člověk může toto záření vnímat jako teplo) nebo fotograficky. V lékařství se využívá např. pro neinvazivní detekci zánětů. Následuje úzké frekvenční pásmo pro viditelné světlo - vlnové délky 780 nm (červená barva) a 400 nm (fialová barva). S fialovou barvou hraničí ultrafialové záření s frekvencemi 1015-1017 Hz, které je generováno tělesy s vysokou teplotou (např. Slunce). Od tohoto záření má světelná vlna ionizační účinky, protože fotony nesou již dostatečnou energii potřebnou k ionizaci.

Korpuskulárně-vlnový charakter částic má ten důsledek, že není možné s libovolnou přesností určit současně dvě konjugované veličiny, např. polohu částice a její hybnost (rychlost) nebo energetické hladiny a čas. Tuto vlastnost vyjadřuje tzv. Heisenbergova relace neurčitosti, která stanovuje nejmenší možnou chybu popisu částice. Díky malé hodnotě Planckovy konstanty Heisenbergova relace neurčitosti nepředstavuje téměř žádné omezení pro popis těles v makrosvětě, na rozdíl od atomární úrovně, ale filozofický dopad na pojem poznatelnosti světa je značný.
 
 
Předchozí
Následující
Operace
Prohlédnout vše