Šiame straipsnyje kalbama apie tai, kas yra energijos kvantavimas ir kokią reikšmę šis reiškinys turi šiuolaikiniam mokslui. Pateikiama energijos diskretiškumo atradimo istorija, taip pat atomų kvantavimo taikymo sritys.
Fizikos pabaiga
Devynioliktojo amžiaus pabaigoje mokslininkai susidūrė su dilema: tuometiniame technologijų vystymosi lygmenyje buvo atrasti, aprašyti ir ištirti visi įmanomi fizikos dėsniai. Mokiniams, kurie turėjo labai išvystytus gebėjimus gamtos mokslų srityje, mokytojai nepatarė rinktis fizikos. Jie tikėjo, kad jame išgarsėti nebeįmanoma, tebuvo rutininis darbas tiriant smulkias smulkmenas. Tai labiau tiko dėmesingam, o ne gabiam žmogui. Tačiau nuotrauka, kuri buvo labiau pramoginis atradimas, suteikė pagrindo susimąstyti. Viskas prasidėjo nuo paprastų neatitikimų. Iš pradžių paaiškėjo, kad šviesa nebuvo visiškai ištisinė: tam tikromis sąlygomis degantis vandenilis fotografinėje plokštelėje paliko eilę linijų, o ne vieną tašką. Be to, paaiškėjo, kad helio spektrai turidaugiau linijų nei vandenilio spektrai. Tada buvo nustatyta, kad vienų žvaigždžių takas skiriasi nuo kitų. Ir grynas smalsumas privertė tyrėjus rankiniu būdu sudėti vieną patirtį po kitos ieškant atsakymų į klausimus. Jie negalvojo apie komercinį savo atradimų pritaikymą.
Planuoti ir kvantuoti
Mūsų laimei, šį fizikos proveržį lydėjo matematikos raida. Nes paaiškinimas, kas vyksta, tilpo į neįtikėtinai sudėtingas formules. 1900 m. Maxas Planckas, dirbdamas su juodojo kūno spinduliuotės teorija, išsiaiškino, kad energija yra kvantuojama. Trumpai apibūdinti šio teiginio prasmę yra gana paprasta. Bet kuri elementari dalelė gali būti tik kai kuriose konkrečiose būsenose. Jei pateiksime apytikslį modelį, tada tokių būsenų skaitiklis gali rodyti skaičius 1, 3, 8, 13, 29, 138. O visos kitos reikšmės tarp jų yra nepasiekiamos. To priežastis atskleisime kiek vėliau. Tačiau pasigilinus į šio atradimo istoriją, verta pastebėti, kad pats mokslininkas iki savo gyvenimo pabaigos energijos kvantavimą laikė tik patogia matematine gudrybe, neturinčia rimtos fizinės reikšmės.
banga ir mišios
Dvidešimtojo amžiaus pradžia buvo kupina atradimų, susijusių su elementariųjų dalelių pasauliu. Tačiau didžioji paslaptis buvo toks paradoksas: kai kuriais atvejais dalelės elgėsi kaip objektai, turintys masę (ir atitinkamai impulsą), o kai kuriais atvejais - kaip banga. Po ilgų ir atkaklių diskusijų turėjau padaryti neįtikėtiną išvadą: elektronai, protonai irneutronai turi šias savybes tuo pačiu metu. Šis reiškinys buvo vadinamas korpuskulinės bangos dualizmu (prieš du šimtus metų rusų mokslininkų kalboje dalelė buvo vadinama korpusu). Taigi elektronas yra tam tikra masė, tarsi ištepta į tam tikro dažnio bangą. Aplink atomo branduolį besisukantis elektronas be galo deda savo bangas vieną ant kitos. Vadinasi, tik tam tikru atstumu nuo centro (kurie priklauso nuo bangos ilgio) besisukančios elektronų bangos viena kitos nepanaikina. Taip atsitinka, kai bangos elektrono „galva“uždedama ant jo „uodegos“, maksimumai sutampa su maksimumais, o minimumai sutampa su minimumais. Tai paaiškina atomo energijos kvantavimą, tai yra griežtai apibrėžtų orbitų, kuriose gali egzistuoti elektronas, buvimą jame.
Sferinis nanoarkliukas vakuume
Tačiau tikros sistemos yra neįtikėtinai sudėtingos. Vadovaujantis aukščiau aprašyta logika, vis tiek galima suprasti elektronų orbitų sistemą vandenilyje ir heliu. Tačiau jau reikia atlikti sudėtingesnius skaičiavimus. Norėdami išmokti juos suprasti, šiuolaikiniai studentai tiria dalelių energijos kvantavimą potencialiame šulinyje. Pirmiausia pasirenkamas idealios formos šulinys ir vieno modelio elektronas. Jiems jie išsprendžia Šredingerio lygtį, suranda energijos lygius, kuriuose gali būti elektronas. Po to jie išmoksta ieškoti priklausomybių, įvesdami vis daugiau kintamųjų: šulinio plotis ir gylis, elektrono energija ir dažnis praranda tikrumą, todėl lygtys tampa sudėtingesnės. Toliaukeičiasi duobės forma (pavyzdžiui, ji tampa kvadratine ar dantyta profiliu, jos kraštai praranda simetriją), imamos hipotetinės elementarios dalelės su nurodytomis charakteristikomis. Ir tik tada jie išmoksta spręsti problemas, susijusias su realių atomų ir dar sudėtingesnių sistemų spinduliuotės energijos kvantavimu.
Momentas, kampinis impulsas
Tačiau, tarkime, elektrono energijos lygis yra daugiau ar mažiau suprantamas dydis. Vienaip ar kitaip visi įsivaizduoja, kad didesnė centrinio šildymo baterijų energija atitinka aukštesnę temperatūrą bute. Atitinkamai, energijos kvantavimą vis dar galima įsivaizduoti spekuliatyviai. Fizikoje taip pat yra sąvokų, kurias sunku suvokti intuityviai. Makrokosme impulsas yra greičio ir masės sandauga (nepamirškite, kad greitis, kaip ir impulsas, yra vektorinis dydis, tai yra, jis priklauso nuo krypties). Būtent impulso dėka aišku, kad lėtai skraidantis vidutinio dydžio akmuo paliks mėlynę tik pataikius į žmogų, o maža dideliu greičiu paleista kulka perskros kūną kiaurai. Mikrokosme impulsas yra toks dydis, apibūdinantis dalelės ryšį su supančia erdve, taip pat jos gebėjimą judėti ir sąveikauti su kitomis dalelėmis. Pastaroji tiesiogiai priklauso nuo energijos. Taigi tampa aišku, kad dalelės energijos ir impulso kvantavimas turi būti tarpusavyje susiję. Be to, konstanta h, kuri žymi mažiausią įmanomą fizikinio reiškinio dalį ir parodo dydžių diskretiškumą, yra įtraukta į formulę irdalelių energija ir impulsas nanopasaulyje. Tačiau yra dar labiau nuo intuityvaus suvokimo nutolusi sąvoka – impulso momentas. Tai reiškia besisukančius kūnus ir nurodo, kokia mase ir kokiu kampiniu greičiu sukasi. Prisiminkite, kad kampinis greitis rodo sukimosi dydį per laiko vienetą. Kampinis momentas taip pat gali pasakyti, kaip pasiskirsto besisukančio kūno medžiaga: tokios pat masės objektai, sutelkti šalia sukimosi ašies arba periferijoje, turės skirtingą kampinį impulsą. Kaip skaitytojas tikriausiai jau spėja, atomo pasaulyje kampinio momento energija yra kvantuota.
Kvantinis ir lazeris
Energijos ir kitų dydžių diskretiškumo atradimo įtaka akivaizdi. Išsamus pasaulio tyrimas įmanomas tik kvanto dėka. Šiuolaikiniai medžiagos tyrimo metodai, įvairių medžiagų naudojimas ir net jų kūrimo mokslas yra natūralus supratimo, kas yra energijos kvantavimas, tęsinys. Veikimo principas ir lazerio naudojimas nėra išimtis. Apskritai lazeris susideda iš trijų pagrindinių elementų: darbinio skysčio, siurbimo ir atspindinčio veidrodžio. Darbinis skystis parenkamas taip, kad jame egzistuotų du santykinai artimi elektronų lygiai. Svarbiausias šių lygių kriterijus yra juose esančių elektronų gyvenimo trukmė. Tai yra, kiek laiko elektronas gali išsilaikyti tam tikroje būsenoje, prieš pereidamas į žemesnę ir stabilesnę padėtį. Iš dviejų lygių viršutinis turėtų būti ilgesnis. Tada siurbimas (dažnai įprasta lempa, kartais infraraudonųjų spindulių lempa) suteikia elektronuspakankamai energijos, kad jie visi susikauptų aukščiausiame energijos lygyje ir ten kauptųsi. Tai vadinama atvirkštinio lygio populiacija. Be to, kai kurie elektronai pereina į žemesnę ir stabilesnę būseną, išspinduliuodami fotoną, o tai sukelia visų elektronų skilimą žemyn. Šio proceso ypatumas yra tas, kad visi gaunami fotonai turi vienodą bangos ilgį ir yra koherentiniai. Tačiau darbinis korpusas, kaip taisyklė, yra gana didelis, jame generuojami srautai, nukreipti įvairiomis kryptimis. Atspindinčio veidrodžio vaidmuo yra filtruoti tik tuos fotonų srautus, kurie nukreipti viena kryptimi. Dėl to išvestis yra siauras intensyvus to paties bangos ilgio koherentinių bangų pluoštas. Iš pradžių buvo manoma, kad tai įmanoma tik kietoje būsenoje. Pirmasis lazeris turėjo dirbtinį rubiną kaip darbo terpę. Dabar yra visų rūšių ir tipų lazerių - skysčiams, dujoms ir net cheminėms reakcijoms. Kaip mato skaitytojas, pagrindinį vaidmenį šiame procese atlieka atomo šviesos sugertis ir išskyrimas. Šiuo atveju energijos kvantavimas yra tik pagrindas teorijai apibūdinti.
Šviesa ir elektronai
Prisiminkite, kad elektrono perėjimą atome iš vienos orbitos į kitą lydi energijos emisija arba absorbcija. Ši energija pasirodo šviesos kvanto arba fotono pavidalu. Formaliai fotonas yra dalelė, tačiau ji skiriasi nuo kitų nanopasaulio gyventojų. Fotonas neturi masės, bet turi impulsą. Tai įrodė rusų mokslininkas Lebedevas 1899 m., aiškiai parodydamas šviesos spaudimą. Fotonas egzistuoja tik judėdamas ir jo greičiulygus šviesos greičiui. Tai greičiausias įmanomas objektas mūsų visatoje. Šviesos greitis (standartiškai žymimas mažu lotynišku „c“) yra apie tris šimtus tūkstančių kilometrų per sekundę. Pavyzdžiui, mūsų galaktikos (ne pačios didžiausios erdvės požiūriu) dydis yra apie šimtą tūkstančių šviesmečių. Susidūręs su medžiaga fotonas visiškai atiduoda jai savo energiją, šiuo atveju tarsi ištirpdamas. Fotono energija, kuri išsiskiria arba sugeria elektronui judant iš vienos orbitos į kitą, priklauso nuo atstumo tarp orbitų. Jei ji maža, skleidžiama mažos energijos infraraudonoji spinduliuotė, jei didelė – gaunama ultravioletinė spinduliuotė.
Rentgeno ir gama spinduliuotė
Elektromagnetinėje skalėje po ultravioletinių spindulių yra rentgeno ir gama spinduliuotės. Apskritai jie sutampa bangos ilgio, dažnio ir energijos atžvilgiu gana plačiame diapazone. Tai yra, yra rentgeno fotonas, kurio bangos ilgis yra 5 pikometrai, ir gama fotonas, kurio bangos ilgis yra toks pat. Jie skiriasi tik tuo, kaip yra priimami. Rentgeno spinduliai atsiranda esant labai greitiems elektronams, o gama spinduliuotė gaunama tik vykstant atomų branduolių skilimo ir susiliejimo procesams. Rentgeno spinduliuotė skirstoma į minkštąją (naudojama, kad matytųsi per žmogaus plaučius ir kaulus) ir kietąją (paprastai reikalinga tik pramonės ar tyrimų tikslais). Jei elektroną pagreitinsite labai stipriai, o po to smarkiai sulėtinsite (pavyzdžiui, nukreipdami į kietą kūną), tada jis skleis rentgeno fotonus. Kai tokie elektronai susiduria su medžiaga, tiksliniai atomai išsiveržiaelektronai iš apatinių apvalkalų. Šiuo atveju savo vietą užima viršutinių apvalkalų elektronai, perėjimo metu taip pat skleidžiantys rentgeno spindulius.
Gama kvantai pasitaiko kitais atvejais. Atomų branduoliai, nors ir susideda iš daugybės elementariųjų dalelių, taip pat yra mažo dydžio, vadinasi, jiems būdingas energijos kvantavimas. Branduolių perėjimą iš sužadintos būsenos į žemesnę būseną tiksliai lydi gama spindulių emisija. Vyksta bet kokia branduolių skilimo ar susiliejimo reakcija, įskaitant gama fotonų atsiradimą.
Branduolinė reakcija
Šiek tiek aukščiau paminėjome, kad atomų branduoliai taip pat paklūsta kvantinio pasaulio dėsniams. Tačiau gamtoje yra medžiagų, kurių branduoliai tokie dideli, kad tampa nestabilūs. Jie linkę suskaidyti į mažesnius ir stabilesnius komponentus. Tai, kaip skaitytojas tikriausiai jau spėja, yra, pavyzdžiui, plutonis ir uranas. Kai mūsų planeta susiformavo iš protoplanetinio disko, joje buvo tam tikras kiekis radioaktyviųjų medžiagų. Laikui bėgant jie sunykdavo, virsdavo kitais cheminiais elementais. Tačiau vis tiek iki šių dienų išliko tam tikras kiekis nesuirusio urano ir pagal jo kiekį galima spręsti, pavyzdžiui, apie Žemės amžių. Cheminiams elementams, turintiems natūralų radioaktyvumą, yra tokia savybė kaip pusinės eliminacijos laikas. Tai laikotarpis, per kurį likusių šio tipo atomų skaičius sumažės perpus. Pavyzdžiui, plutonio pusinės eliminacijos laikas trunka dvidešimt keturis tūkstančius metų. Tačiau, be natūralaus radioaktyvumo, yra ir priverstinio. Kai bombarduojami sunkiosios alfa dalelės arba lengvieji neutronai, atomų branduoliai suyra. Šiuo atveju išskiriami trys jonizuojančiosios spinduliuotės tipai: alfa dalelės, beta dalelės, gama spinduliai. Dėl beta skilimo branduolio krūvis pasikeičia vienu. Alfa dalelės iš branduolio paima du pozitronus. Gama spinduliuotė neturi krūvio ir nėra nukreipta elektromagnetinio lauko, tačiau ji turi didžiausią prasiskverbimo galią. Energijos kvantavimas vyksta visais branduolio skilimo atvejais.
Karas ir taika
Lazeriai, rentgeno spinduliai, kietųjų kūnų ir žvaigždžių tyrimai – visa tai yra taikus žinių apie kvantus pritaikymas. Tačiau mūsų pasaulis pilnas grėsmių, ir kiekvienas siekia apsisaugoti. Mokslas taip pat tarnauja kariniams tikslams. Net toks grynai teorinis reiškinys, kaip energijos kvantavimas, buvo saugomas pasaulio. Pavyzdžiui, bet kokios radiacijos diskretiškumo apibrėžimas buvo branduolinių ginklų pagrindas. Žinoma, yra tik keletas jo kovinių pritaikymų – skaitytojas tikriausiai prisimena Hirosimą ir Nagasakį. Visos kitos priežastys paspausti taip trokštamą raudoną mygtuką buvo daugmaž taikios. Taip pat visada iškyla radioaktyviosios aplinkos taršos klausimas. Pavyzdžiui, dėl anksčiau nurodyto plutonio pusinės eliminacijos periodo kraštovaizdis, į kurį patenka šis elementas, tampa netinkamu naudoti labai ilgą laiką, beveik geologinę epochą.
Vanduo ir laidai
Grįžkime prie taikaus branduolinių reakcijų naudojimo. Žinoma, mes kalbame apie elektros energijos gamybą branduolio dalijimosi būdu. Procesas atrodo taip:
Pagrindinėje dalyjeReaktoryje pirmiausia atsiranda laisvųjų neutronų, o tada jie atsitrenkia į radioaktyvųjį elementą (dažniausiai urano izotopą), kuriam vyksta alfa arba beta skilimas.
Kad ši reakcija nepereitų į nekontroliuojamą stadiją, reaktoriaus šerdyje yra vadinamieji moderatoriai. Paprastai tai yra grafito strypai, kurie labai gerai sugeria neutronus. Reguliuodami jų ilgį galite stebėti reakcijos greitį.
Todėl vienas elementas virsta kitu ir išsiskiria neįtikėtinas energijos kiekis. Šią energiją sugeria indas, pripildytas vadinamojo sunkiojo vandens (vietoj vandenilio deuterio molekulėse). Dėl sąlyčio su reaktoriaus aktyvia zona šis vanduo yra labai užterštas radioaktyviais skilimo produktais. Būtent šio vandens šalinimas šiuo metu yra didžiausia branduolinės energijos problema.
Antrasis dedamas į pirmą vandens kontūrą, trečiasis dedamas į antrąjį. Trečiojo kontūro vandenį jau saugu naudoti, o būtent ji suka turbiną, kuri gamina elektrą.
Nepaisant tokio didelio tarpininkų tarp tiesiogiai generuojančių branduolių ir galutinio vartotojo skaičiaus (nepamirškime dešimčių kilometrų laidų, kurie taip pat praranda galią), ši reakcija suteikia neįtikėtiną galią. Pavyzdžiui, viena atominė elektrinė gali aprūpinti elektra visą teritoriją, kurioje yra daug pramonės šakų.
