Hierdie artikel praat oor wat energiekwantisering is en watter betekenis hierdie verskynsel vir moderne wetenskap het. Die geskiedenis van die ontdekking van die diskreetheid van energie word gegee, sowel as die toepassingsgebiede van die kwantisering van atome.
Einde van Fisika
Aan die einde van die negentiende eeu het wetenskaplikes voor 'n dilemma te staan gekom: op die destydse vlak van tegnologie-ontwikkeling is alle moontlike wette van fisika ontdek, beskryf en bestudeer. Leerlinge wat hoogs ontwikkelde vermoëns op die gebied van natuurwetenskappe gehad het, is nie deur onderwysers aangeraai om fisika te kies nie. Hulle het geglo dat dit nie meer moontlik was om daarin beroemd te word nie, daar was net roetinewerk om klein klein besonderhede te bestudeer. Dit was meer geskik vir 'n oplettende persoon, eerder as 'n begaafde een. Die foto, wat eerder’n vermaaklike ontdekking was, het egter rede tot nadenke gegee. Dit het alles begin met eenvoudige inkonsekwenthede. Om mee te begin, het dit geblyk dat die lig nie heeltemal aaneenlopend was nie: onder sekere omstandighede het brandende waterstof 'n reeks lyne op die fotografiese plaat gelaat in plaas van 'n enkele kol. Verder het dit geblyk dat die spektra van helium hetmeer lyne as die spektra van waterstof. Toe is gevind dat die spoor van sommige sterre verskil van ander. En pure nuuskierigheid het die navorsers gedwing om die een ervaring na die ander met die hand te plaas op soek na antwoorde op vrae. Hulle het nie gedink aan die kommersiële toepassing van hul ontdekkings nie.
Planck en kwantum
Gelukkig vir ons het hierdie deurbraak in fisika gepaard gegaan met die ontwikkeling van wiskunde. Omdat die verduideliking van wat aan die gebeur was, in ongelooflik komplekse formules gepas het. In 1900 het Max Planck, wat aan die teorie van swart liggaamsbestraling gewerk het, uitgevind dat energie gekwantiseer word. Beskryf kortliks die betekenis van hierdie stelling is redelik eenvoudig. Enige elementêre deeltjie kan slegs in sekere spesifieke toestande wees. As ons 'n rowwe model gee, dan kan die teller van sulke state die nommers 1, 3, 8, 13, 29, 138 wys. En alle ander waardes tussen hulle is ontoeganklik. Ons sal die redes hiervoor 'n bietjie later openbaar. As jy egter in die geskiedenis van hierdie ontdekking delf, is dit opmerklik dat die wetenskaplike self, tot aan die einde van sy lewe, energiekwantisering as slegs 'n gerieflike wiskundige truuk beskou het, wat nie met ernstige fisiese betekenis toegerus is nie.
golf en massa
Die begin van die twintigste eeu was vol ontdekkings wat verband hou met die wêreld van elementêre deeltjies. Maar die groot raaisel was die volgende paradoks: in sommige gevalle het die deeltjies gedra soos voorwerpe met massa (en dienooreenkomstig momentum), en in sommige gevalle soos 'n golf. Na lang en hardnekkige debat moes ek tot 'n ongelooflike gevolgtrekking kom: elektrone, protone enneutrone het hierdie eienskappe terselfdertyd. Hierdie verskynsel is korpuskulêre-golf dualisme genoem (in die toespraak van Russiese wetenskaplikes tweehonderd jaar gelede is 'n deeltjie 'n liggaam genoem). Dus, 'n elektron is 'n sekere massa, asof dit in 'n golf van 'n sekere frekwensie gesmeer word. 'n Elektron wat om die kern van 'n atoom wentel, plaas sy golwe eindeloos bo-op mekaar. Gevolglik, slegs op sekere afstande vanaf die middelpunt (wat afhang van die golflengte) kanselleer die elektrongolwe, wat roteer, mekaar nie uit nie. Dit gebeur wanneer, wanneer die "kop" van 'n golfelektron op sy "stert" gesuperponeer word, die maksima saamval met die maksima, en die minima val saam met die minima. Dit verklaar die kwantisering van die energie van 'n atoom, dit wil sê die teenwoordigheid van streng gedefinieerde bane daarin, waarop 'n elektron kan bestaan.
Sferiese nanoperd in vakuum
Werklike stelsels is egter ongelooflik kompleks. Deur die logika hierbo beskryf te gehoorsaam, kan 'n mens steeds die stelsel van bane van elektrone in waterstof en helium verstaan. Verdere komplekse berekeninge word egter reeds vereis. Om te leer hoe om dit te verstaan, bestudeer moderne studente die kwantisering van deeltjie-energie in 'n potensiële put. Om mee te begin, word 'n ideaal gevormde put en 'n enkele modelelektron gekies. Vir hulle los hulle die Schrödinger-vergelyking op, vind die energievlakke waarteen die elektron kan wees. Daarna leer hulle om na afhanklikhede te soek deur meer en meer veranderlikes in te voer: die breedte en diepte van die put, die energie en frekwensie van die elektron verloor hul sekerheid, wat kompleksiteit by die vergelykings voeg. Verderdie vorm van die put verander (byvoorbeeld, dit word vierkantig of gekartel in profiel, sy rande verloor hul simmetrie), hipotetiese elementêre deeltjies met spesifieke eienskappe word geneem. En eers dan leer hulle om probleme op te los wat kwantisering van die stralingsenergie van werklike atome en selfs meer komplekse stelsels behels.
Momentum, hoekmomentum
Die energievlak van byvoorbeeld 'n elektron is egter 'n min of meer verstaanbare hoeveelheid. Op een of ander manier verbeel almal dat die hoër energie van die sentrale verwarming batterye ooreenstem met 'n hoër temperatuur in die woonstel. Gevolglik kan die kwantisering van energie steeds spekulatief voorgestel word. Daar is ook konsepte in fisika wat moeilik is om intuïtief te begryp. In die makrokosmos is momentum die produk van snelheid en massa (moenie vergeet dat snelheid, soos momentum, 'n vektorhoeveelheid is, dit wil sê dit hang van rigting af nie). Dit is te danke aan die momentum dat dit duidelik is dat 'n stadig vlieënde mediumgrootte klip net 'n kneusplek sal laat as dit 'n mens tref, terwyl 'n klein koeël wat met groot spoed afgevuur word die liggaam deur en deur sal deurboor. In die mikrokosmos is momentum so 'n hoeveelheid wat die verbinding van 'n deeltjie met die omringende ruimte kenmerk, sowel as sy vermoë om te beweeg en met ander deeltjies te reageer. Laasgenoemde hang direk af van die energie. Dit word dus duidelik dat die kwantisering van energie en momentum van 'n deeltjie met mekaar verbind moet word. Verder is die konstante h, wat die kleinste moontlike gedeelte van 'n fisiese verskynsel aandui en die diskreetheid van hoeveelhede aandui, ingesluit in die formule enenergie en momentum van deeltjies in die nanowêreld. Maar daar is 'n konsep wat selfs meer ver van intuïtiewe bewustheid is - die oomblik van impuls. Dit verwys na roterende liggame en dui aan watter massa en met watter hoeksnelheid roteer. Onthou dat die hoeksnelheid die hoeveelheid rotasie per tydeenheid aandui. Die hoekmomentum is ook in staat om te vertel hoe die stof van 'n roterende liggaam versprei word: voorwerpe met dieselfde massa, maar gekonsentreer naby die rotasie-as of op die periferie, sal 'n ander hoekmomentum hê. Soos die leser waarskynlik reeds raai, word in die wêreld van die atoom die energie van die hoekmomentum gekwantiseer.
Kwantum en laser
Die invloed van die ontdekking van die diskreetheid van energie en ander hoeveelhede is duidelik. 'n Gedetailleerde studie van die wêreld is slegs moontlik danksy die kwantum. Moderne metodes om materie te bestudeer, die gebruik van verskillende materiale, en selfs die wetenskap van hul skepping is 'n natuurlike voortsetting van die begrip van wat energiekwantisering is. Die beginsel van werking en die gebruik van 'n laser is geen uitsondering nie. Oor die algemeen bestaan die laser uit drie hoofelemente: die werkvloeistof, pompende en weerkaatsende spieël. Die werksvloeistof word so gekies dat twee relatief naby vlakke vir elektrone daarin bestaan. Die belangrikste maatstaf vir hierdie vlakke is die leeftyd van elektrone daarop. Dit wil sê hoe lank 'n elektron in 'n sekere toestand kan uithou voordat dit na 'n laer en meer stabiele posisie beweeg. Van die twee vlakke moet die boonste een die langer leef. Dan gee pomp (dikwels met 'n konvensionele lamp, soms met 'n infrarooi lamp) die elektronegenoeg energie vir hulle almal om op die hoogste vlak van energie te versamel en daar te versamel. Dit word inverse vlak populasie genoem. Verder gaan een elektron oor in 'n laer en meer stabiele toestand met die vrystelling van 'n foton, wat 'n afbreek van alle elektrone afwaarts veroorsaak. Die eienaardigheid van hierdie proses is dat al die resulterende fotone dieselfde golflengte het en koherent is. Die werkende liggaam is egter as 'n reël redelik groot, en vloeie word daarin gegenereer, gerig in verskillende rigtings. Die rol van die reflekterende spieël is om slegs daardie fotonstrome wat in een rigting gerig is, uit te filter. As gevolg hiervan is die uitset 'n smal intense straal van koherente golwe van dieselfde golflengte. Aanvanklik is dit slegs in 'n vaste toestand as moontlik beskou. Die eerste laser het 'n kunsmatige robyn gehad as 'n werkende medium. Nou is daar lasers van alle soorte en tipes - op vloeistowwe, gasse, en selfs op chemiese reaksies. Soos die leser sien, word die hoofrol in hierdie proses gespeel deur die absorpsie en emissie van lig deur die atoom. In hierdie geval is energiekwantisering slegs die basis vir die beskrywing van die teorie.
Lig en elektron
Onthou dat die oorgang van 'n elektron in 'n atoom van een wentelbaan na 'n ander gepaard gaan met óf emissie óf absorpsie van energie. Hierdie energie verskyn in die vorm van 'n kwantum lig of 'n foton. Formeel is 'n foton 'n deeltjie, maar dit verskil van ander inwoners van die nanowêreld.’n Foton het geen massa nie, maar dit het wel momentum. Dit is in 1899 deur die Russiese wetenskaplike Lebedev bewys, wat die druk van lig duidelik demonstreer. 'n Foton bestaan slegs in beweging en sy spoedgelyk aan die spoed van lig. Dit is die vinnigste moontlike voorwerp in ons heelal. Die spoed van lig (standaard aangedui deur die klein Latynse "c") is ongeveer driehonderdduisend kilometer per sekonde. Byvoorbeeld, die grootte van ons sterrestelsel (nie die grootste in ruimteterme nie) is ongeveer honderdduisend ligjare. In botsing met materie gee die foton dit sy energie heeltemal, asof dit in hierdie geval oplos. Die energie van 'n foton wat vrygestel of geabsorbeer word wanneer 'n elektron van een wentelbaan na 'n ander beweeg, hang af van die afstand tussen die wentelbane. As dit klein is, word infrarooi straling met lae energie uitgestraal, as dit groot is, word ultraviolet verkry.
X-straal- en gammastraling
Die elektromagnetiese skaal ná ultraviolet bevat X-straal- en gammastraling. Oor die algemeen oorvleuel hulle in golflengte, frekwensie en energie in 'n redelik wye reeks. Dit wil sê, daar is 'n X-straalfoton met 'n golflengte van 5 pikometer en 'n gammafoton met dieselfde golflengte. Hulle verskil slegs in die manier waarop hulle ontvang word. X-strale vind plaas in die teenwoordigheid van baie vinnige elektrone, en gammastraling word slegs verkry in die prosesse van verval en samesmelting van atoomkerne. X-straal word verdeel in sag (gebruik dit om deur die longe en bene van 'n persoon te wys) en hard (gewoonlik net nodig vir industriële of navorsingsdoeleindes). As jy die elektron baie sterk versnel, en dit dan skerp vertraag (byvoorbeeld deur dit in 'n soliede liggaam te rig), dan sal dit X-straalfotone uitstraal. Wanneer sulke elektrone met materie bots, breek die teikenatome uitelektrone van onderste skulpe. In hierdie geval neem die elektrone van die boonste skulpe hul plek in, wat ook X-strale uitstraal tydens die oorgang.
Gamma-kwante kom in ander gevalle voor. Die kerne van atome, hoewel hulle uit baie elementêre deeltjies bestaan, is ook klein in grootte, wat beteken dat hulle gekenmerk word deur energiekwantisering. Die oorgang van kerne van 'n opgewekte toestand na 'n laer toestand gaan presies gepaard met die vrystelling van gammastrale. Enige reaksie van verval of samesmelting van kerne vind plaas, insluitend met die verskyning van gammafotone.
Kernreaksie
'n Bietjie hoër het ons genoem dat atoomkerne ook die wette van die kwantumwêreld gehoorsaam. Maar daar is stowwe in die natuur met sulke groot kerne dat hulle onstabiel word. Hulle is geneig om af te breek in kleiner en meer stabiele komponente. Dit, soos die leser seker reeds raai, sluit byvoorbeeld plutonium en uraan in. Toe ons planeet uit 'n protoplanetêre skyf gevorm het, het dit 'n sekere hoeveelheid radioaktiewe stowwe in gehad. Met verloop van tyd het hulle verval en in ander chemiese elemente verander. Maar steeds het 'n sekere hoeveelheid onverrotte uraan tot vandag toe oorleef, en volgens die hoeveelheid daarvan kan 'n mens byvoorbeeld die ouderdom van die Aarde beoordeel. Vir chemiese elemente wat natuurlike radioaktiwiteit het, is daar so 'n eienskap soos halfleeftyd. Dit is die tydperk waartydens die aantal oorblywende atome van hierdie tipe gehalveer sal word. Die halfleeftyd van plutonium kom byvoorbeeld in vier-en-twintigduisend jaar voor. Benewens natuurlike radioaktiwiteit is daar egter ook gedwonge. Wanneer dit met swaar alfa-deeltjies of ligte neutrone gebombardeer word, breek die kerne van atome uitmekaar. In hierdie geval word drie tipes ioniserende straling onderskei: alfa-deeltjies, beta-deeltjies, gammastrale. Beta-verval veroorsaak dat die kernlading met een verander. Alfa-deeltjies neem twee positrone van die kern af. Gammastraling het geen lading nie en word nie deur 'n elektromagnetiese veld afgebuig nie, maar dit het die hoogste penetrasiekrag. Energiekwantisering vind plaas in alle gevalle van kernverval.
Oorlog en Vrede
Lasers, x-strale, die studie van vaste stowwe en sterre – dit alles is vreedsame toepassings van kennis oor kwanta. Ons wêreld is egter vol bedreigings, en almal probeer hulself beskerm. Wetenskap dien ook militêre doeleindes. Selfs so 'n suiwer teoretiese verskynsel soos die kwantisering van energie is op die hoede van die wêreld geplaas. Die definisie van die diskreetheid van enige bestraling het byvoorbeeld die basis van kernwapens gevorm. Natuurlik is daar net 'n paar van sy gevegstoepassings - die leser onthou waarskynlik Hiroshima en Nagasaki. Alle ander redes om die gesogte rooi knoppie te druk was min of meer vreedsaam. Daar is ook altyd die kwessie van radioaktiewe besoedeling van die omgewing. Byvoorbeeld, die halfleeftyd van plutonium, wat hierbo aangedui is, maak die landskap waarin hierdie element inkom vir 'n baie lang tyd, amper 'n geologiese epog, onbruikbaar.
Water en drade
Kom ons keer terug na die vreedsame gebruik van kernreaksies. Ons praat natuurlik van die opwekking van elektrisiteit deur kernsplyting. Die proses lyk soos volg:
In die kernIn die reaktor verskyn vrye neutrone eers, en dan tref hulle 'n radioaktiewe element (gewoonlik 'n isotoop van uraan), wat alfa- of beta-verval ondergaan.
Om te verhoed dat hierdie reaksie in 'n onbeheerde stadium gaan, bevat die reaktorkern sogenaamde moderators. As 'n reël is dit grafietstawe wat neutrone baie goed absorbeer. Deur hul lengte aan te pas, kan jy die reaksietempo monitor.
Gevolglik verander een element in 'n ander, en 'n ongelooflike hoeveelheid energie word vrygestel. Hierdie energie word geabsorbeer deur 'n houer gevul met sogenaamde swaar water (in plaas van waterstof in deuteriummolekules). As gevolg van kontak met die reaktorkern is hierdie water erg besmet met radioaktiewe vervalprodukte. Dit is die wegdoening van hierdie water wat die grootste probleem van kernenergie op die oomblik is.
Die tweede word in die eerste waterkring geplaas, die derde word in die tweede geplaas. Die water van die derde stroombaan is reeds veilig om te gebruik, en dit is sy wat die turbine draai, wat elektrisiteit opwek.
Ondanks so 'n groot aantal tussengangers tussen die direk genererende kerne en die eindverbruiker (laat ons nie die tientalle kilometers se drade vergeet wat ook krag verloor nie), verskaf hierdie reaksie ongelooflike krag. Een kernkragsentrale kan byvoorbeeld elektrisiteit verskaf aan 'n hele gebied met baie nywerhede.
