Acest articol vorbește despre ce este cuantizarea energiei și ce semnificație are acest fenomen pentru știința modernă. Este dat istoria descoperirii discretității energiei, precum și domeniile de aplicare a cuantizării atomilor.
Sfârșitul fizicii
La sfârșitul secolului al XIX-lea, oamenii de știință s-au confruntat cu o dilemă: la nivelul de atunci al dezvoltării tehnologiei, toate legile posibile ale fizicii au fost descoperite, descrise și studiate. Elevii care aveau abilități foarte dezvoltate în domeniul științelor naturii nu au fost sfătuiți de către profesori să aleagă fizica. Ei credeau că nu mai este posibil să devină faimos în ea, exista doar muncă de rutină pentru a studia mici detalii minore. Acest lucru era mai potrivit pentru o persoană atentă, mai degrabă decât pentru una talentată. Cu toate acestea, fotografia, care a fost mai mult o descoperire distractivă, a dat motive de gândire. Totul a început cu simple inconsecvențe. Pentru început, s-a dovedit că lumina nu era în întregime continuă: în anumite condiții, arderea hidrogenului a lăsat o serie de linii pe placa fotografică în loc de un singur punct. Mai mult, sa dovedit că spectrele de heliu au avutmai multe linii decât spectrele hidrogenului. Apoi s-a constatat că urma unor stele este diferită de altele. Iar curiozitatea pură i-a forțat pe cercetători să pună manual o experiență după alta în căutarea răspunsurilor la întrebări. Nu s-au gândit la aplicarea comercială a descoperirilor lor.
Planck și quantum
Din fericire pentru noi, această descoperire în fizică a fost însoțită de dezvoltarea matematicii. Pentru că explicația a ceea ce se întâmpla se încadrează în formule incredibil de complexe. În 1900, Max Planck, lucrând la teoria radiației corpului negru, a aflat că energia este cuantificată. Descrieți pe scurt sensul acestei afirmații este destul de simplu. Orice particulă elementară poate fi doar în anumite stări specifice. Dacă oferim un model brut, atunci contorul unor astfel de stări poate afișa numerele 1, 3, 8, 13, 29, 138. Și toate celel alte valori dintre ele sunt inaccesibile. Vom dezvălui motivele acestui lucru puțin mai târziu. Cu toate acestea, dacă vă aprofundați în istoria acestei descoperiri, merită remarcat faptul că însuși savantul, până la sfârșitul vieții, a considerat cuantizarea energiei ca fiind doar un truc matematic convenabil, nedotat cu o semnificație fizică serioasă.
Val și masă
Începutul secolului al XX-lea a fost plin de descoperiri legate de lumea particulelor elementare. Dar marele mister a fost următorul paradox: în unele cazuri, particulele s-au comportat ca obiecte cu masă (și, în consecință, impuls) și, în unele cazuri, ca o undă. După dezbateri lungi și încăpățânate, a trebuit să ajung la o concluzie incredibilă: electroni, protoni șineutronii au aceste proprietăți în același timp. Acest fenomen a fost numit dualism cu unde corpusculare (în discursul oamenilor de știință ruși în urmă cu două sute de ani, o particulă a fost numită corpuscul). Astfel, un electron este o anumită masă, ca și cum ar fi întins într-o undă de o anumită frecvență. Un electron care se învârte în jurul nucleului unui atom își suprapune la nesfârșit undele unul peste altul. În consecință, numai la anumite distanțe față de centru (care depind de lungimea de undă) undele de electroni, rotindu-se, nu se anulează reciproc. Acest lucru se întâmplă atunci când, când „capul” unui electron de undă este suprapus peste „coada” acestuia, maximele coincid cu maximele, iar minimele coincid cu minimele. Aceasta explică cuantificarea energiei unui atom, adică prezența în el a orbitelor strict definite, pe care poate exista un electron.
Nanocal sferic în vid
Cu toate acestea, sistemele reale sunt incredibil de complexe. Respectând logica descrisă mai sus, se poate înțelege în continuare sistemul de orbite ale electronilor din hidrogen și heliu. Cu toate acestea, sunt deja necesare calcule suplimentare complexe. Pentru a învăța cum să le înțeleagă, studenții moderni studiază cuantizarea energiei particulelor într-un put potențial. Pentru început, sunt alese un puț cu formă ideală și un singur model de electron. Pentru ei, ei rezolvă ecuația Schrödinger, găsesc nivelurile de energie la care poate fi electronul. După aceea, ei învață să caute dependențe introducând din ce în ce mai multe variabile: lățimea și adâncimea puțului, energia și frecvența electronului își pierd certitudinea, adăugând complexitate ecuațiilor. Mai departeforma gropii se schimbă (de exemplu, devine pătrată sau zimțată în profil, marginile își pierd simetria), sunt luate particule elementare ipotetice cu caracteristici specificate. Și abia atunci învață să rezolve probleme care implică cuantificarea energiei de radiație a atomilor reali și a sistemelor chiar mai complexe.
Moment, moment unghiular
Cu toate acestea, nivelul de energie al, să zicem, un electron este o cantitate mai mult sau mai puțin de înțeles. Într-un fel sau altul, toată lumea își imaginează că energia mai mare a bateriilor de încălzire centrală corespunde unei temperaturi mai ridicate în apartament. În consecință, cuantizarea energiei poate fi încă imaginată speculativ. Există, de asemenea, concepte în fizică care sunt dificil de înțeles intuitiv. În macrocosmos, impulsul este produsul dintre viteză și masă (nu uitați că viteza, ca și impulsul, este o mărime vectorială, adică depinde de direcție). Datorită impulsului, este clar că o piatră de dimensiuni medii care zboară încet va lăsa o vânătaie doar dacă lovește o persoană, în timp ce un glonț mic tras cu mare viteză va străpunge corpul în întregime. În microcosmos, impulsul este o astfel de cantitate care caracterizează legătura unei particule cu spațiul înconjurător, precum și capacitatea acesteia de a se mișca și de a interacționa cu alte particule. Acesta din urmă depinde direct de energie. Astfel, devine clar că cuantizarea energiei și a impulsului unei particule trebuie să fie interconectate. Mai mult, constanta h, care denotă cea mai mică porțiune posibilă a unui fenomen fizic și arată caracterul discret al cantităților, este inclusă în formula șienergia și impulsul particulelor din nanolume. Dar există un concept și mai îndepărtat de conștientizarea intuitivă - momentul impulsului. Se referă la corpurile care se rotesc și indică ce masă și cu ce viteză unghiulară se rotește. Amintiți-vă că viteza unghiulară indică cantitatea de rotație pe unitatea de timp. Momentul unghiular este, de asemenea, capabil să spună modul în care este distribuită substanța unui corp în rotație: obiectele cu aceeași masă, dar concentrate în apropierea axei de rotație sau la periferie, vor avea un moment unghiular diferit. După cum probabil că cititorul ghiceste deja, în lumea atomului, energia momentului unghiular este cuantificată.
Cuantice și laser
Influența descoperirii discretității energiei și a altor cantități este evidentă. Un studiu detaliat al lumii este posibil doar datorită cuanticei. Metodele moderne de studiere a materiei, utilizarea diferitelor materiale și chiar știința creării lor sunt o continuare firească a înțelegerii a ceea ce este cuantizarea energiei. Principiul de funcționare și utilizarea unui laser nu face excepție. În general, laserul constă din trei elemente principale: fluidul de lucru, oglinda de pompare și reflectoare. Fluidul de lucru este ales în așa fel încât să existe în el două niveluri relativ apropiate pentru electroni. Cel mai important criteriu pentru aceste niveluri este durata de viață a electronilor pe ele. Adică, cât timp este capabil un electron să reziste într-o anumită stare înainte de a se muta într-o poziție inferioară și mai stabilă. Dintre cele două niveluri, cel de sus ar trebui să fie cel mai longeviv. Apoi pomparea (adesea cu o lampă convențională, uneori cu o lampă cu infraroșu) dă electronisuficientă energie pentru ca toți să se adune la cel mai în alt nivel de energie și să se acumuleze acolo. Aceasta se numește populație la nivel invers. În plus, un electron trece într-o stare inferioară și mai stabilă odată cu emisia unui foton, ceea ce provoacă o defalcare a tuturor electronilor în jos. Particularitatea acestui proces este că toți fotonii rezultați au aceeași lungime de undă și sunt coerenți. Cu toate acestea, corpul de lucru, de regulă, este destul de mare și în el sunt generate fluxuri, direcționate în direcții diferite. Rolul oglinzii reflectorizante este de a filtra numai acele fluxuri de fotoni care sunt îndreptate într-o singură direcție. Ca rezultat, ieșirea este un fascicul intens îngust de unde coerente de aceeași lungime de undă. La început, acest lucru a fost considerat posibil doar în stare solidă. Primul laser a avut un rubin artificial ca mediu de lucru. Acum există lasere de toate felurile și tipurile - pe lichide, gaze și chiar pe reacții chimice. După cum vede cititorul, rolul principal în acest proces îl joacă absorbția și emisia de lumină de către atom. În acest caz, cuantizarea energiei este doar baza pentru descrierea teoriei.
Lumina si electroni
Reamintim că tranziția unui electron dintr-un atom de la o orbită la alta este însoțită fie de emisie, fie de absorbție de energie. Această energie apare sub forma unui cuantum de lumină sau a unui foton. Formal, un foton este o particulă, dar diferă de alți locuitori ai nanolumii. Un foton nu are masă, dar are impuls. Acest lucru a fost dovedit de omul de știință rus Lebedev în 1899, demonstrând clar presiunea luminii. Un foton există doar în mișcare și viteza saegală cu viteza luminii. Este cel mai rapid obiect posibil din universul nostru. Viteza luminii (notată în mod standard prin „c” latinesc mic) este de aproximativ trei sute de mii de kilometri pe secundă. De exemplu, dimensiunea galaxiei noastre (nu cea mai mare din punct de vedere spațial) este de aproximativ o sută de mii de ani lumină. Ciocnind cu materia, fotonul îi dă energia sa complet, ca și cum s-ar fi dizolvat în acest caz. Energia unui foton care este eliberată sau absorbită atunci când un electron se mișcă de pe o orbită pe alta depinde de distanța dintre orbite. Dacă este mic, se emite radiații infraroșii cu energie scăzută, dacă este mare se obține ultraviolete.
Raze X și radiații gamma
Scara electromagnetică după ultraviolete conține raze X și radiații gamma. În general, ele se suprapun în lungime de undă, frecvență și energie într-un interval destul de larg. Adică există un foton de raze X cu o lungime de undă de 5 picometri și un foton gamma cu aceeași lungime de undă. Ele diferă doar prin modul în care sunt primite. Razele X apar în prezența electronilor foarte rapizi, iar radiația gamma se obține numai în procesele de dezintegrare și fuziune a nucleelor atomice. Raze X sunt împărțite în moale (folosind-o pentru a vedea prin plămânii și oasele unei persoane) și dure (de obicei necesare numai în scopuri industriale sau de cercetare). Dacă accelerați electronul foarte puternic și apoi îl decelerați brusc (de exemplu, direcționându-l într-un corp solid), atunci va emite fotoni de raze X. Când astfel de electroni se ciocnesc cu materia, atomii țintă izbucnescelectroni din învelișurile inferioare. În acest caz, electronii învelișurilor superioare le iau locul, emitând și raze X în timpul tranziției.
Cuante gamma apar în alte cazuri. Nucleele atomilor, deși constau din multe particule elementare, sunt, de asemenea, de dimensiuni mici, ceea ce înseamnă că sunt caracterizate prin cuantificarea energiei. Trecerea nucleelor de la o stare excitată la o stare inferioară este însoțită tocmai de emisia de raze gamma. Orice reacție de descompunere sau fuziune a nucleelor are loc, inclusiv cu apariția fotonilor gamma.
Reacție nucleară
Puțin mai sus am menționat că și nucleele atomice respectă legile lumii cuantice. Dar există substanțe în natură cu nuclee atât de mari încât devin instabile. Ele tind să se descompună în componente mai mici și mai stabile. Acestea, după cum probabil că cititorul presupune deja, includ, de exemplu, plutoniu și uraniu. Când planeta noastră s-a format dintr-un disc protoplanetar, avea o anumită cantitate de substanțe radioactive în ea. În timp, acestea s-au degradat, transformându-se în alte elemente chimice. Dar totuși, o anumită cantitate de uraniu nedegradat a supraviețuit până în zilele noastre și după cantitatea sa se poate judeca, de exemplu, vârsta Pământului. Pentru elementele chimice care au radioactivitate naturală, există o caracteristică precum timpul de înjumătățire. Aceasta este perioada de timp în care numărul de atomi rămași de acest tip va fi înjumătățit. Timpul de înjumătățire al plutoniului, de exemplu, are loc în douăzeci și patru de mii de ani. Cu toate acestea, pe lângă radioactivitatea naturală, există și forțată. Când sunt bombardate cu particule alfa grele sau neutroni ușori, nucleele atomilor se despart. În acest caz, se disting trei tipuri de radiații ionizante: particule alfa, particule beta, raze gamma. Dezintegrarea beta face ca sarcina nucleară să se schimbe cu unu. Particulele alfa preiau doi pozitroni din nucleu. Radiația gamma nu are sarcină și nu este deviată de un câmp electromagnetic, dar are cea mai mare putere de penetrare. Cuantificarea energiei are loc în toate cazurile de dezintegrare nucleară.
Război și pace
Laserele, raze X, studiul solidelor și stelelor - toate acestea sunt aplicații pașnice ale cunoștințelor despre cuante. Cu toate acestea, lumea noastră este plină de amenințări și toată lumea caută să se protejeze. Știința servește și scopurilor militare. Chiar și un astfel de fenomen pur teoretic precum cuantizarea energiei a fost pus în paza lumii. Definiția caracterului discret al oricărei radiații, de exemplu, a stat la baza armelor nucleare. Desigur, există doar câteva dintre aplicațiile sale de luptă - probabil că cititorul își amintește Hiroshima și Nagasaki. Toate celel alte motive pentru a apăsa râvnitul buton roșu au fost mai mult sau mai puțin pașnice. De asemenea, există întotdeauna problema contaminării radioactive a mediului. De exemplu, timpul de înjumătățire al plutoniului, indicat mai sus, face ca peisajul în care intră acest element să fie inutilizabil foarte mult timp, aproape o epocă geologică.
Apă și fire
Să revenim la utilizarea pașnică a reacțiilor nucleare. Vorbim, desigur, despre generarea de energie electrică prin fisiune nucleară. Procesul arată astfel:
În miezÎn reactor, mai întâi apar neutroni liberi și apoi lovesc un element radioactiv (de obicei un izotop al uraniului), care suferă dezintegrare alfa sau beta.
Pentru a preveni ca această reacție să intre într-o etapă necontrolată, miezul reactorului conține așa-numiții moderatori. De regulă, acestea sunt tije de grafit, care absorb neutronii foarte bine. Ajustând lungimea acestora, puteți monitoriza viteza de reacție.
Ca urmare, un element se transformă în altul și se eliberează o cantitate incredibilă de energie. Această energie este absorbită de un recipient umplut cu așa-numita apă grea (în loc de hidrogen din moleculele de deuteriu). Ca urmare a contactului cu miezul reactorului, această apă este puternic contaminată cu produse de descompunere radioactive. Eliminarea acestei ape este cea mai mare problemă a energiei nucleare în acest moment.
Al doilea este plasat în primul circuit de apă, al treilea este plasat în al doilea. Apa celui de-al treilea circuit este deja sigură de utilizat și ea este cea care întoarce turbina, care generează electricitate.
În ciuda unui număr atât de mare de intermediari între nucleele generatoare direct și consumatorul final (să nu uităm de zecile de kilometri de fire care pierd și ei putere), această reacție oferă o putere incredibilă. De exemplu, o centrală nucleară poate furniza energie electrică unei întregi zone cu multe industrii.
