De term ’kwantumsprong’ wordt in de kwantummechanica gebruikt voor de verandering van een deeltje, zoals een elektron, naar een andere toestand.
Elektronen zijn negatief geladen deeltjes die om een atoomkern draaien, en de kwantumsprong beschrijft de ’sprong’ van een elektron tussen de banen.
De beweging van een elektron kan echter beter een soort golf worden genoemd, want elektronen bewegen niet in cirkelvormige banen, maar eerder als staande golven rond een atoomkern.
Deze golfbewegingen kunnen allerlei patronen hebben, en als het elektron tussen die patronen springt, heet dat een kwantumsprong.
Kwantumsprong: elektronen die springen tussen patronen
Het dient wel gezegd dat de patronen geen exacte bepalingen zijn van de locatie van de elektronen. De kwantummechanica kan alleen de waarschijnlijkheid bepalen dat een elektron zich op een plek bevindt.
De patronen moeten dus de waarschijnlijke locaties van een elektron illustreren, maar als je één elektron zou willen lokaliseren, vind je dit maar op één plek in het patroon.
De waarschijnlijkheid van de locatie van een elektron in een atoom wordt de golffunctie genoemd. In de afbeelding hieronder zie je de golffuncties voor een waterstofatoom geïllustreerd als oplichtende patronen.
Hier zie je de golffuncties voor een elektron in een waterstofatoom bij verschillende energieniveaus. De lichte gebieden geven aan dat hier een grotere waarschijnlijkheid is om een elektron te vinden.
Bij een kwantumsprong ’springt’ een elektron dus van het ene patroon naar het andere. Dit gebeurt bij de juiste hoeveelheid energie.
Als het atoom energie opneemt, springt het elektron naar buiten, naar een hogere baan, en als het atoom energie verliest, springt het elektron naar binnen, naar een lagere baan, en zendt het een foton (lichtdeeltje) uit.
De beweging is te vergelijken met twee mensen die een springtouw ronddraaien. Gewoonlijk vormt het touw een boog, maar als je snel genoeg zwaait, maakt het twee bogen. Het is dus van patroon veranderd.
Evenzo laat de juiste hoeveelheid energie een elektron een kwantumsprong maken, waardoor zijn patroon verandert.
Niels Bohr en de kwantummechanica
Elektronen en kwantumsprongen zijn niet met het blote oog te zien. Toch wordt de term in het dagelijks taalgebruik gebezigd om een grote stap voorwaarts te beschrijven.
Mogelijk komt dit doordat het zo baanbrekend was toen de Deense fysicus Niels Bohr in 1913 zijn atoommodel en het idee van de kwantumsprong presenteerde.
Met het atoommodel deed Niels Bohr namelijk enkele opzienbarende beweringen.
Ten eerste dat elektronen alleen in zeer specifieke banen, ofwel kwantumtoestanden, om een atoomkern kunnen draaien. En ten tweede dat een elektron kwantumsprongen kan maken tussen de twee banen.
De Deense natuurkundige Niels Bohr droeg bij aan de ontwikkeling van de kwantummechanica en het inzicht in de structuur van atomen.
Reeds een paar jaar later verlieten Niels Bohr en zijn vakgenoten het idee dat elektronen in banen bewegen als planeten rond een ster, en gingen ze ze als golven zien.
Het atoommodel legde echter de basis voor de ontwikkeling van de kwantummechanica, waarmee nu het gedrag van deeltjes als elektronen en atomen heel nauwkeurig kan worden voorspeld.
Hoewel het idee van kwantumtoestanden en kwantumsprongen tegenwoordig veel gebruikt wordt in de natuurkunde, is er onder deskundigen nog steeds veel discussie over de beste verklaring voor kwantumsprongen en de vraag waarom deeltjes bewegen zoals ze doen.