Denne artikkelen snakker om hva energikvantisering er og hvilken betydning dette fenomenet har for moderne vitenskap. Historien om oppdagelsen av energiens diskrethet er gitt, så vel som bruksområdene for kvantisering av atomer.
End of Physics
På slutten av det nittende århundre sto forskerne overfor et dilemma: På det daværende nivået av teknologiutvikling ble alle mulige fysikklover oppdaget, beskrevet og studert. Elever som hadde høyt utviklede evner innen naturvitenskap, ble ikke rådet av lærere til å velge fysikk. De mente at det ikke lenger var mulig å bli berømt i det, det var bare rutinearbeid for å studere små mindre detaljer. Dette var mer egnet for en oppmerksom person, snarere enn en begavet. Bildet, som var mer en underholdende oppdagelse, ga imidlertid grunn til ettertanke. Det hele startet med enkle inkonsekvenser. Til å begynne med viste det seg at lyset ikke var helt kontinuerlig: under visse forhold etterlot brennende hydrogen en rekke linjer på den fotografiske platen i stedet for en enkelt flekk. Videre viste det seg at spektra av helium haddeflere linjer enn spektrene til hydrogen. Så ble det funnet at sporet til noen stjerner er forskjellig fra andre. Og ren nysgjerrighet tvang forskerne til manuelt å sette den ene opplevelsen etter den andre på jakt etter svar på spørsmål. De tenkte ikke på den kommersielle anvendelsen av funnene deres.
Planck and quantum
Heldigvis for oss ble dette gjennombruddet i fysikk ledsaget av utviklingen av matematikk. Fordi forklaringen på hva som skjedde passet inn i utrolig komplekse formler. I 1900 fant Max Planck, som jobbet med teorien om svart kroppsstråling, ut at energi er kvantisert. Beskriv kort betydningen av denne uttalelsen er ganske enkel. Enhver elementær partikkel kan bare være i noen spesifikke tilstander. Hvis vi gir en grov modell, kan telleren til slike tilstander vise tallene 1, 3, 8, 13, 29, 138. Og alle andre verdier mellom dem er utilgjengelige. Årsakene til dette vil vi avsløre litt senere. Men hvis du dykker ned i historien til denne oppdagelsen, er det verdt å merke seg at vitenskapsmannen selv, inntil slutten av livet, anså energikvantisering som bare et praktisk matematisk triks, ikke utstyrt med seriøs fysisk mening.
Wave and Mass
Begynnelsen av det tjuende århundre var full av oppdagelser knyttet til elementærpartiklers verden. Men det store mysteriet var følgende paradoks: i noen tilfeller oppførte partiklene seg som objekter med masse (og følgelig momentum), og i noen tilfeller som en bølge. Etter lang og hardnakket debatt måtte jeg komme til en utrolig konklusjon: elektroner, protoner ognøytroner har disse egenskapene samtidig. Dette fenomenet ble k alt korpuskulær bølgedualisme (i talen til russiske forskere for to hundre år siden ble en partikkel k alt en korpuskel). Dermed er et elektron en viss masse, som om det ble smurt inn i en bølge med en viss frekvens. Et elektron som kretser rundt kjernen til et atom, legger bølgene i det uendelige oppå hverandre. Følgelig er det bare ved visse avstander fra sentrum (som avhenger av bølgelengden) at elektronbølgene, som roterer, ikke kansellerer hverandre. Dette skjer når, når "hodet" til et bølgeelektron er lagt over dets "hale", faller maksima sammen med maksima, og minima sammenfaller med minima. Dette forklarer kvantiseringen av energien til et atom, det vil si tilstedeværelsen av strengt definerte baner i det, som et elektron kan eksistere på.
Sfærisk nanohest i vakuum
Imidlertid er ekte systemer utrolig komplekse. Ved å følge logikken beskrevet ovenfor, kan man fortsatt forstå systemet med baner av elektroner i hydrogen og helium. Imidlertid er ytterligere komplekse beregninger allerede nødvendige. For å lære å forstå dem, studerer moderne studenter kvantiseringen av partikkelenergi i en potensiell brønn. Til å begynne med velges en ideell formet brønn og et enkelt modellelektron. For dem løser de Schrödinger-ligningen, finner energinivåene elektronet kan være på. Etter det lærer de å lete etter avhengigheter ved å introdusere flere og flere variabler: bredden og dybden til brønnen, energien og frekvensen til elektronet mister sin sikkerhet, og legger til kompleksitet til ligningene. Lengreformen på gropen endres (for eksempel blir den firkantet eller tagget i profil, kantene mister sin symmetri), hypotetiske elementærpartikler med spesifiserte egenskaper tas. Og først da lærer de å løse problemer som involverer kvantisering av strålingsenergien til virkelige atomer og enda mer komplekse systemer.
Momentum, vinkelmomentum
Men energinivået til for eksempel et elektron er en mer eller mindre forståelig størrelse. På en eller annen måte ser alle for seg at den høyere energien til sentralvarmebatteriene tilsvarer en høyere temperatur i leiligheten. Følgelig kan kvantiseringen av energi fortsatt tenkes spekulativt. Det er også begreper i fysikk som er vanskelige å forstå intuitivt. I makrokosmos er momentum produktet av hastighet og masse (ikke glem at hastighet, som momentum, er en vektormengde, det vil si at den avhenger av retning). Det er takket være momentumet at det er klart at en sakteflyvende middels stor stein bare vil etterlate et blåmerke hvis den treffer en person, mens en liten kule avfyrt i stor fart vil trenge gjennom kroppen. I mikrokosmos er momentum en slik størrelse som karakteriserer forbindelsen til en partikkel med det omkringliggende rommet, samt dens evne til å bevege seg og samhandle med andre partikler. Sistnevnte avhenger direkte av energien. Dermed blir det klart at kvantiseringen av energi og momentum til en partikkel må henge sammen. Dessuten er konstanten h, som angir den minste mulige delen av et fysisk fenomen og viser diskretiteten til mengder, inkludert i formelen ogenergi og momentum av partikler i nanoverdenen. Men det er et konsept som er enda mer fjernt fra intuitiv bevissthet - impulsøyeblikket. Det refererer til roterende legemer og indikerer hvilken masse og med hvilken vinkelhastighet som roterer. Husk at vinkelhastigheten indikerer mengden rotasjon per tidsenhet. Vinkelmomentet er også i stand til å fortelle hvordan stoffet til et roterende legeme er fordelt: objekter med samme masse, men konsentrert nær rotasjonsaksen eller på periferien, vil ha et annet vinkelmoment. Som leseren sikkert allerede gjetter, i atomets verden, er energien til vinkelmomentet kvantisert.
Quantum and laser
Påvirkningen av oppdagelsen av diskretiteten til energi og andre mengder er åpenbar. En detaljert studie av verden er bare mulig takket være kvanten. Moderne metoder for å studere materie, bruken av forskjellige materialer og til og med vitenskapen om deres opprettelse er en naturlig fortsettelse av å forstå hva energikvantisering er. Prinsippet om drift og bruk av laser er intet unntak. Generelt består laseren av tre hovedelementer: arbeidsvæsken, pumpende og reflekterende speil. Arbeidsvæsken er valgt på en slik måte at to relativt nære nivåer for elektroner eksisterer i den. Det viktigste kriteriet for disse nivåene er levetiden til elektronene på dem. Det vil si hvor lenge et elektron klarer å holde ut i en viss tilstand før det beveger seg til en lavere og mer stabil posisjon. Av de to nivåene skal det øverste ha lengre levetid. Så gir pumping (ofte med en konvensjonell lampe, noen ganger med en infrarød lampe) elektronenenok energi til at de alle kan samle seg på det øverste energinivået og samle seg der. Dette kalles populasjon på omvendt nivå. Videre går et elektron over i en lavere og mer stabil tilstand med emisjon av et foton, noe som forårsaker en nedbrytning av alle elektroner. Det særegne ved denne prosessen er at alle de resulterende fotonene har samme bølgelengde og er koherente. Imidlertid er arbeidskroppen som regel ganske stor, og strømmer genereres i den, rettet i forskjellige retninger. Rollen til det reflekterende speilet er å filtrere ut bare de fotonstrømmene som er rettet i én retning. Som et resultat er utgangen en smal intens stråle av koherente bølger med samme bølgelengde. Først ble dette ansett som mulig bare i fast tilstand. Den første laseren hadde en kunstig rubin som arbeidsmedium. Nå er det lasere av alle slag og typer - på væsker, gasser, og til og med på kjemiske reaksjoner. Som leseren ser, spilles hovedrollen i denne prosessen av absorpsjon og emisjon av lys fra atomet. I dette tilfellet er energikvantisering kun grunnlaget for å beskrive teorien.
Lys og elektron
Husk at overgangen til et elektron i et atom fra en bane til en annen er ledsaget av enten emisjon eller absorpsjon av energi. Denne energien vises i form av et lyskvantum eller et foton. Formelt sett er et foton en partikkel, men det skiller seg fra andre innbyggere i nanoverdenen. Et foton har ingen masse, men det har momentum. Dette ble bevist av den russiske forskeren Lebedev i 1899, og demonstrerte tydelig lystrykket. Et foton eksisterer bare i bevegelse og hastighetlik lysets hastighet. Det er det raskeste mulige objektet i universet vårt. Lysets hastighet (standard betegnet med den lille latinske "c") er omtrent tre hundre tusen kilometer per sekund. For eksempel er størrelsen på galaksen vår (ikke den største når det gjelder rom) omtrent hundre tusen lysår. Ved å kollidere med materie gir fotonet det sin energi fullstendig, som om det oppløses i dette tilfellet. Energien til et foton som frigjøres eller absorberes når et elektron beveger seg fra en bane til en annen avhenger av avstanden mellom banene. Hvis den er liten, sendes det ut infrarød stråling med lav energi, hvis den er stor, oppnås ultrafiolett.
røntgen- og gammastråling
Den elektromagnetiske skalaen etter ultrafiolett inneholder røntgen- og gammastråling. Generelt overlapper de i bølgelengde, frekvens og energi i et ganske bredt område. Det vil si at det er et røntgenfoton med en bølgelengde på 5 pikometer og et gammafoton med samme bølgelengde. De er bare forskjellige i måten de blir mottatt på. Røntgenstråler forekommer i nærvær av veldig raske elektroner, og gammastråling oppnås bare i prosessene med forfall og fusjon av atomkjerner. Røntgen er delt inn i myk (bruker den til å vise gjennom lungene og beinene til en person) og hard (vanligvis nødvendig bare for industrielle eller forskningsformål). Hvis du akselererer elektronet veldig kraftig, og deretter bremser det kraftig (for eksempel ved å lede det inn i et fast legeme), vil det sende ut røntgenfotoner. Når slike elektroner kolliderer med materie, bryter målatomene utelektroner fra lavere skall. I dette tilfellet tar elektronene i de øvre skallene deres plass, og sender også ut røntgenstråler under overgangen.
Gamma-kvanter forekommer i andre tilfeller. Atomkjernene, selv om de består av mange elementærpartikler, er også små i størrelse, noe som betyr at de er preget av energikvantisering. Overgangen av kjerner fra en eksitert tilstand til en lavere tilstand er nøyaktig ledsaget av utslipp av gammastråler. Enhver reaksjon av forfall eller fusjon av kjerner fortsetter, inkludert tilsynekomsten av gammafotoner.
Atomreaksjon
Litt høyere nevnte vi at atomkjerner også adlyder kvanteverdenens lover. Men det finnes stoffer i naturen med så store kjerner at de blir ustabile. De har en tendens til å brytes ned til mindre og mer stabile komponenter. Disse, som leseren sikkert allerede gjetter, inkluderer for eksempel plutonium og uran. Da planeten vår ble dannet av en protoplanetarisk skive, hadde den en viss mengde radioaktive stoffer i seg. Over tid forf alt de og ble til andre kjemiske elementer. Men likevel har en viss mengde urått uran overlevd frem til i dag, og etter mengden kan man for eksempel bedømme jordens alder. For kjemiske elementer som har naturlig radioaktivitet, er det en egenskap som halveringstid. Dette er tidsperioden hvor antall gjenværende atomer av denne typen vil bli halvert. Halveringstiden til plutonium inntreffer for eksempel om tjuefiretusen år. Men i tillegg til naturlig radioaktivitet, er det også tvunget. Når de bombarderes med tunge alfapartikler eller lette nøytroner, brytes atomkjernene fra hverandre. I dette tilfellet skilles tre typer ioniserende stråling: alfapartikler, beta-partikler, gammastråler. Beta-nedbrytning fører til at atomladningen endres med én. Alfa-partikler tar to positroner fra kjernen. Gammastråling har ingen ladning og avledes ikke av et elektromagnetisk felt, men den har høyest penetrerende kraft. Energikvantisering skjer i alle tilfeller av kjernefysisk forfall.
Krig og fred
Lasere, røntgenstråler, studiet av faste stoffer og stjerner - alt dette er fredelige anvendelser av kunnskap om kvanter. Imidlertid er vår verden full av trusler, og alle søker å beskytte seg selv. Vitenskap tjener også militære formål. Selv et så rent teoretisk fenomen som kvantisering av energi har blitt satt på vakt over verden. Definisjonen av diskretiteten til enhver stråling, for eksempel, dannet grunnlaget for atomvåpen. Selvfølgelig er det bare noen få av dens kampapplikasjoner - leseren husker nok Hiroshima og Nagasaki. Alle andre grunner til å trykke på den ettertraktede røde knappen var mer eller mindre fredelige. Det er også alltid spørsmålet om radioaktiv forurensning av miljøet. For eksempel gjør halveringstiden til plutonium, angitt ovenfor, landskapet som dette elementet kommer inn i ubrukelig i svært lang tid, nesten en geologisk epoke.
Vann og ledninger
La oss komme tilbake til den fredelige bruken av atomreaksjoner. Vi snakker selvfølgelig om generering av elektrisitet ved kjernefysisk fisjon. Prosessen ser slik ut:
I kjernenI reaktoren dukker det først opp frie nøytroner, og deretter treffer de et radioaktivt grunnstoff (vanligvis en isotop av uran), som gjennomgår alfa- eller beta-nedbrytning.
For å forhindre at denne reaksjonen går inn i et ukontrollert stadium, inneholder reaktorkjernen såk alte moderatorer. Som regel er dette grafittstaver, som absorberer nøytroner veldig godt. Ved å justere lengden kan du overvåke reaksjonshastigheten.
Som et resultat blir ett element til et annet, og utrolig mye energi frigjøres. Denne energien absorberes av en beholder fylt med såk alt tungtvann (i stedet for hydrogen i deuteriummolekyler). Som følge av kontakt med reaktorkjernen er dette vannet sterkt forurenset med radioaktive nedbrytningsprodukter. Det er deponeringen av dette vannet som er det største problemet med kjernekraft for øyeblikket.
Den andre plasseres i den første vannkretsen, den tredje plasseres i den andre. Vannet i den tredje kretsen er allerede trygt å bruke, og det er hun som snur turbinen, som genererer strøm.
Til tross for et så stort antall mellomledd mellom de direkte genererende kjernene og sluttforbrukeren (la oss ikke glemme de titalls kilometerne med ledninger som også mister strøm), gir denne reaksjonen utrolig kraft. For eksempel kan ett kjernekraftverk levere strøm til et helt område med mange industrier.
