Тази статия говори за това какво е енергийно квантуване и какво значение има това явление за съвременната наука. Дадена е историята на откриването на дискретността на енергията, както и областите на приложение на квантуването на атомите.
Край на физиката
В края на деветнадесети век учените са изправени пред дилема: на тогавашното ниво на развитие на технологиите са открити, описани и изучавани всички възможни закони на физиката. Учениците, които са имали силно развити способности в областта на природните науки, не са били съветвани от учителите да избират физика. Те вярваха, че вече не е възможно да стане известен в него, има само рутинна работа за изучаване на малки незначителни детайли. Това беше по-подходящо за внимателен човек, отколкото за надарен. Снимката, която беше по-скоро занимателно откритие, обаче даде повод за размисъл. Всичко започна с прости несъответствия. Като начало се оказа, че светлината не е напълно непрекъсната: при определени условия горящият водород оставя серия от линии върху фотографската плоча вместо едно петно. Освен това се оказа, че спектрите на хелия иматповече линии, отколкото спектрите на водорода. Тогава се установи, че следите на някои звезди са различни от други. И чистото любопитство принуди изследователите ръчно да поставят едно преживяване след друго в търсене на отговори на въпроси. Те не са мислили за комерсиалното приложение на своите открития.
Planck и квантова
За наше щастие този пробив във физиката беше придружен от развитието на математиката. Защото обяснението на случващото се се вписваше в невероятно сложни формули. През 1900 г. Макс Планк, работещ върху теорията за излъчването на черното тяло, открива, че енергията се квантува. Опишете накратко значението на това твърдение е доста просто. Всяка елементарна частица може да бъде само в някои специфични състояния. Ако дадем груб модел, тогава броячът на такива състояния може да покаже числата 1, 3, 8, 13, 29, 138. И всички други стойности между тях са недостъпни. Причините за това ще разкрием малко по-късно. Въпреки това, ако се задълбочите в историята на това откритие, заслужава да се отбележи, че самият учен до края на живота си е смятал квантуването на енергията само за удобен математически трик, който не е надарен със сериозно физическо значение.
Вълна и маса
Началото на двадесети век беше пълно с открития, свързани със света на елементарните частици. Но голямата мистерия беше следният парадокс: в някои случаи частиците се държаха като обекти с маса (и съответно импулс), а в някои случаи като вълна. След дълъг и упорит дебат трябваше да стигна до невероятно заключение: електрони, протони инеутроните притежават тези свойства едновременно. Това явление беше наречено корпускулярно-вълнов дуализъм (в речта на руските учени преди двеста години една частица се наричаше корпускула). По този начин, електронът е определена маса, сякаш размазана във вълна с определена честота. Електрон, който се върти около ядрото на атом, безкрайно наслагва своите вълни една върху друга. Следователно, само на определени разстояния от центъра (които зависят от дължината на вълната) електронните вълни, въртящи се, не се компенсират взаимно. Това се случва, когато, когато "главата" на вълновия електрон се наслагва върху неговата "опашка", максимумите съвпадат с максимумите, а минимумите съвпадат с минимумите. Това обяснява квантуването на енергията на атома, тоест наличието на строго определени орбити в него, на които може да съществува електрон.
Сферичен нанокон във вакуум
Въпреки това, реалните системи са невероятно сложни. Спазвайки описаната по-горе логика, човек все още може да разбере системата от орбити на електроните във водород и хелий. Въпреки това вече са необходими допълнителни сложни изчисления. За да се научат как да ги разбират, съвременните ученици изучават квантуването на енергията на частиците в потенциална ямка. Като начало се избират идеално оформен кладенец и един модел електрон. За тях те решават уравнението на Шрьодингер, намират енергийните нива, на които може да бъде електронът. След това те се научават да търсят зависимости, като въвеждат все повече и повече променливи: ширината и дълбочината на кладенеца, енергията и честотата на електрона губят своята сигурност, добавяйки сложност към уравненията. По-нататъкформата на ямата се променя (например тя става квадратна или назъбена в профил, ръбовете й губят симетрия), се вземат хипотетични елементарни частици с определени характеристики. И едва тогава се научават да решават проблеми, които включват квантуване на радиационната енергия на реални атоми и дори по-сложни системи.
Импулс, ъглов момент
Въпреки това, енергийното ниво на, да речем, електрон е повече или по-малко разбираема величина. По един или друг начин всеки си въобразява, че по-високата енергия на батериите за централно отопление съответства на по-висока температура в апартамента. Съответно, квантуването на енергията все още може да се представи спекулативно. Във физиката има и понятия, които са трудни за разбиране интуитивно. В макрокосмоса импулсът е произведение на скоростта и масата (не забравяйте, че скоростта, подобно на импулса, е векторна величина, тоест зависи от посоката). Благодарение на инерцията е ясно, че бавно летящ среден камък ще остави синина само ако удари човек, докато малък куршум, изстрелян с голяма скорост, ще пробие тялото през и през. В микрокосмоса импулсът е такава величина, която характеризира връзката на частица с околното пространство, както и способността й да се движи и да взаимодейства с други частици. Последното директно зависи от енергията. Така става ясно, че квантуването на енергията и импулса на частица трябва да бъдат взаимосвързани. Освен това константата h, която обозначава най-малката възможна част от физическо явление и показва дискретността на величините, е включена във формулата иенергия и импулс на частиците в наносвета. Но има понятие, още по-отдалечено от интуитивното осъзнаване – моментът на импулса. Отнася се до въртящи се тела и показва каква маса и с каква ъглова скорост се върти. Припомнете си, че ъгловата скорост показва количеството въртене за единица време. Ъгловият импулс също може да каже начина, по който се разпределя веществото на въртящо се тяло: обекти със същата маса, но концентрирани близо до оста на въртене или на периферията, ще имат различен ъглов импулс. Както читателят вероятно вече се досеща, в света на атома енергията на ъгловия импулс се квантува.
Квант и лазер
Влиянието на откриването на дискретността на енергията и другите величини е очевидно. Подробно изследване на света е възможно само благодарение на кванта. Съвременните методи за изследване на материята, използването на различни материали и дори науката за тяхното създаване са естествено продължение на разбирането какво е енергийно квантуване. Принципът на действие и използването на лазер не е изключение. Като цяло лазерът се състои от три основни елемента: работна течност, изпомпване и отразяващо огледало. Работната течност е избрана по такъв начин, че в нея съществуват две относително близки нива за електрони. Най-важният критерий за тези нива е продължителността на живота на електроните върху тях. Тоест колко дълго е в състояние да издържи един електрон в определено състояние, преди да се премести в по-ниско и по-стабилно положение. От двете нива, горното трябва да е по-дълготрайното. След това изпомпването (често с конвенционална лампа, понякога с инфрачервена лампа) дава електронитедостатъчно енергия, за да могат всички да се съберат на най-високото ниво на енергия и да се натрупат там. Това се нарича популация с обратно ниво. Освен това, един електрон преминава в по-ниско и по-стабилно състояние с излъчване на фотон, което причинява разпадане на всички електрони надолу. Особеността на този процес е, че всички получени фотони имат една и съща дължина на вълната и са кохерентни. Работното тяло обаче, като правило, е доста голямо и в него се генерират потоци, насочени в различни посоки. Ролята на отразяващото огледало е да филтрира само онези фотонни потоци, които са насочени в една посока. В резултат на това изходът е тесен интензивен лъч от кохерентни вълни със същата дължина на вълната. Първоначално това се смяташе за възможно само в твърдо състояние. Първият лазер имаше изкуствен рубин като работна среда. Сега има лазери от всякакъв вид и видове - на течности, газове и дори на химически реакции. Както вижда читателят, основната роля в този процес играе поглъщането и излъчването на светлина от атома. В този случай енергийното квантуване е само основата за описание на теорията.
Светлина и електрон
Припомнете си, че преходът на електрон в атом от една орбита в друга се придружава или от излъчване, или от поглъщане на енергия. Тази енергия се появява под формата на квант светлина или фотон. Формално фотонът е частица, но се различава от другите обитатели на наносвета. Фотонът няма маса, но има инерция. Това е доказано от руския учен Лебедев през 1899 г., като ясно демонстрира натиска на светлината. Фотонът съществува само в движение и неговата скоростравна на скоростта на светлината. Това е най-бързият възможен обект в нашата вселена. Скоростта на светлината (стандартно се обозначава с малкото латинско "c") е около триста хиляди километра в секунда. Например, размерът на нашата галактика (не най-голямата в космическо отношение) е около сто хиляди светлинни години. Сблъсквайки се с материята, фотонът й отдава своята енергия напълно, сякаш се разтваря в този случай. Енергията на фотона, която се освобождава или абсорбира, когато електрон се движи от една орбита в друга, зависи от разстоянието между орбитите. Ако е малък, се излъчва инфрачервено лъчение с ниска енергия, ако е голямо се получава ултравиолетово.
Рентгеново и гама лъчение
Електромагнитната скала след ултравиолетова съдържа рентгеново и гама лъчение. Като цяло те се припокриват по дължина на вълната, честота и енергия в доста широк диапазон. Тоест има рентгенов фотон с дължина на вълната 5 пикометра и гама фотон със същата дължина на вълната. Те се различават само по начина, по който се приемат. Рентгеновите лъчи се появяват в присъствието на много бързи електрони, а гама-лъчението се получава само в процесите на разпад и сливане на атомни ядра. Рентгеновите лъчи са разделени на меки (използвайки го за показване през белите дробове и костите на човек) и твърди (обикновено са необходими само за промишлени или изследователски цели). Ако ускорите електрона много силно и след това го забавите рязко (например, като го насочите към твърдо тяло), тогава той ще излъчи рентгенови фотони. Когато такива електрони се сблъскат с материята, целевите атоми избухвателектрони от долните черупки. В този случай електроните на горните черупки заемат тяхното място, като също излъчват рентгенови лъчи по време на прехода.
Гама квантите се срещат в други случаи. Ядрата на атомите, въпреки че се състоят от много елементарни частици, също са малки по размер, което означава, че се характеризират с енергийно квантуване. Преходът на ядрата от възбудено състояние в по-ниско състояние е точно придружен от излъчване на гама лъчи. Всяка реакция на разпад или сливане на ядра протича, включително с появата на гама фотони.
Ядрена реакция
Малко по-високо споменахме, че атомните ядра също се подчиняват на законите на квантовия свят. Но в природата има вещества с толкова големи ядра, че стават нестабилни. Те са склонни да се разпадат на по-малки и по-стабилни компоненти. Те, както читателят вероятно вече се досеща, включват например плутоний и уран. Когато нашата планета се е образувала от протопланетен диск, в нея е имало определено количество радиоактивни вещества. С течение на времето те се разлагат, превръщайки се в други химични елементи. Но все пак известно количество неразложен уран е оцеляло и до днес и по количеството му може да се съди например за възрастта на Земята. За химичните елементи, които имат естествена радиоактивност, има такава характеристика като полуживот. Това е периодът от време, през който броят на останалите атоми от този тип ще бъде намален наполовина. Времето на полуразпад на плутония, например, се случва в двадесет и четири хиляди години. Но освен естествена радиоактивност има и принудителна. Когато се бомбардират с тежки алфа частици или леки неутрони, ядрата на атомите се разпадат. В този случай се разграничават три вида йонизиращи лъчения: алфа-частици, бета-частици, гама-лъчи. Бета разпадът води до промяна на ядрения заряд с единица. Алфа частиците вземат два позитрона от ядрото. Гама-лъчението няма заряд и не се отклонява от електромагнитно поле, но има най-висока проникваща сила. Енергийното квантуване се случва във всички случаи на ядрен разпад.
Война и мир
Лазери, рентгенови лъчи, изследване на твърди тела и звезди - всичко това са мирни приложения на знанието за квантите. Въпреки това, нашият свят е пълен със заплахи и всеки се стреми да се защити. Науката също служи за военни цели. Дори такова чисто теоретично явление като квантуването на енергията е поставено на стража на света. Определението за дискретност на всяка радиация, например, е в основата на ядрените оръжия. Разбира се, има само няколко от неговите бойни приложения - читателят вероятно си спомня Хирошима и Нагасаки. Всички други причини за натискане на заветния червен бутон бяха горе-долу спокойни. Също така винаги възниква въпросът за радиоактивно замърсяване на околната среда. Например, полуразпадът на плутония, посочен по-горе, прави пейзажа, в който този елемент навлиза, неизползваем за много дълго време, почти геоложка епоха.
Вода и проводници
Да се върнем към мирното използване на ядрените реакции. Говорим, разбира се, за генерирането на електричество чрез ядрено делене. Процесът изглежда така:
В сърцевинатаВ реактора първо се появяват свободни неутрони, а след това те удрят радиоактивен елемент (обикновено изотоп на уран), който претърпява алфа или бета разпад.
За да се предотврати преминаването на тази реакция в неконтролиран стадий, активната зона на реактора съдържа така наречените модератори. По правило това са графитни пръчки, които много добре абсорбират неутроните. Чрез регулиране на дължината им можете да наблюдавате скоростта на реакцията.
В резултат на това един елемент се превръща в друг и се освобождава невероятно количество енергия. Тази енергия се абсорбира от контейнер, пълен с т. нар. тежка вода (вместо водород в молекулите на деутерий). В резултат на контакт с активната зона на реактора тази вода е силно замърсена с продукти на радиоактивен разпад. Именно изхвърлянето на тази вода е най-големият проблем на ядрената енергетика в момента.
Вторият е поставен в първия воден кръг, третият е поставен във втория. Водата от третия кръг вече е безопасна за използване и тя е тази, която върти турбината, която генерира електричество.
Въпреки толкова голям брой посредници между директно генериращите ядра и крайния потребител (да не забравяме десетките километри проводници, които също губят мощност), тази реакция осигурява невероятна мощност. Например една ядрена електроцентрала може да доставя електричество на цяла област с много индустрии.
