Kvantizacija energije jednog elektrona u atomu. Postupak za dobivanje energije u reaktoru polaganog neutrona

Ovaj članak govori o tome što je kvantizacija energije i kakvu vrijednost ovaj fenomen ima za modernu znanost. Prikazana je povijest otkrića diskretnosti energije, kao i područja primjene kvantizacije atoma.

Kraj Fizike

U kasnom devetnaestom stoljeću, dilema s kojima se suočavaju znanstvenici: tada postojeća razina tehnologije, sve moguće zakoni fizike bili otkriveni, opisano i studirao. Studenti koji su imali snažnu sposobnost u prirodnim znanostima, nastavnici nisu savjetovani odabrati fiziku. Vjerovali su da više nije moguće postati poznati u njemu, samo rutinski rad na proučavanju manjih manje detalja ostao je. To je više odgovaralo pažljivoj osobi, a ne darovitoj osobi. Međutim, fotografija, koja je bila više zabavna otkrića, dala je razlog za razmišljanje. Sve je počelo s jednostavnim nedosljednostima. Za početak, pokazalo se da svjetlo nije potpuno kontinuirano: pod određenim uvjetima, gorenje vodika ostavilo je niz linija na fotografskoj ploči umjesto jedne točke. Dalje je pojašnjeno da helijni spektri imaju više linija od spektra vodika. Tada je otkriveno da se trag nekih zvijezda razlikuje od ostalih. A čista je znatiželjnost učinila znanstvenicima da ručno stave jedno iskustvo za drugom u potrazi za odgovorima na pitanja. Nisu razmišljali o komercijalnoj primjeni njihovih otkrića.

Plank i Quantum

Srećom za nas, ovaj napredak u fizici bio je praćen razvojem matematike. Jer objašnjenje onoga što se dogodilo uklapa se u nevjerojatno složene formule. Godine 1900. Max Planck, koji je radio na teoriji zračenja crnog tijela, otkrio je da se kvantizacija energije javlja. Da bismo kratko opisali značenje te izjave, vrlo je jednostavno. Bilo koja elementarna čestica može postojati samo u nekim konkretnim stanjima. Ako dajemo grubi model, tada brojač takvih stanja može prikazati brojeve 1, 3, 8, 13, 29, 138. Sve druge vrijednosti između njih nisu dostupne. Razlozi za to ćemo otkriti malo kasnije. Međutim, ako zaronite u povijest ovog otkrića, valja istaknuti da je sam znanstvenik do kraja svog života smatrao kvantiziranu energiju samo zgodan matematički trik koji nije obdaren ozbiljnim fizičkim značenjem.

Val i masa

Početak dvadesetog stoljeća bio je pun otkrića vezanih uz svijet elementarnih čestica. No, najveći misterij je sljedeći paradoks: u nekim slučajevima, čestice se ponašaju kao objekte s masom (a time i zamah), a neki - poput vala. Nakon dugih i tvrdoglavih argumenata, bilo je potrebno doći do nevjerojatnog zaključka: elektroni, protoni i neutroni posjeduju ta svojstva istovremeno. Ovaj fenomen je dobio ime corpuscular-wave dualizma (u govoru ruskih znanstvenika prije dvije stotine godina čestica se zvala korpuscle). Dakle, elektron je određena masa, jer su razmazani u val određene frekvencije. Elektron koji se okreće oko jezgre atoma, beskonačno nadovezuje svoje valove jedan na drugi. Prema tome, samo na određenim udaljenostima od središta (koji ovise o valnoj duljini) elektronskog vala, rotirajući se, ne gase međusobno. To se događa kada je na izricanju „glava” elektrona vala na svojim „rep” highs podudaraju s maksimuma i minimuma - minimuma. To objašnjava kvantizaciju energije atoma, tj. Prisutnost u njemu strogo definiranih orbita na kojima elektron može postojati.

Sferni nanoconv u vakuumu

Međutim, pravi sustavi su nevjerojatno složeni. Služeći se gore opisanom logikom, još uvijek možemo razumjeti sustav elektronskih orbita u vodiku i heliju. Međutim, potrebni su daljnji komplicirani izračuni. Kako bi naučili kako ih razumjeti, moderni studenti proučavaju kvantizaciju energije čestica u potencijalnom bunaru. Za početak odabiru se idealni oblik jame i jedan model elektrona. Za njih, riješite Schrodingerovu jednadžbu, pronađite razinu energije na kojoj se elektron može locirati. Nakon što nauče tražiti ovisnosti, uvodeći sve više varijabli: širina i dubina bunarića, energija i učestalost elektrona gube sigurnost, dodajući složenost jednadžbi. Nadalje, oblik jame se mijenja (na primjer, postaje kvadrat ili zupčanik u profilu, rubovi gube simetriju), uzeta su hipotetična elementarna čestica s danim karakteristikama. Tek tada uče rješavati probleme u kojima se pojavljuje kvantizacija energije zračenja stvarnih atoma i još složenijih sustava.

Impuls, kutni zamah

Međutim, razina energije, recimo, elektron je još više ili manje razumljiva vrijednost. Svi, na ovaj ili onaj način, ali zamislite da veća energija baterije za centralno grijanje odgovara višoj temperaturi u stanu. Prema tome, kvantizacija energije još uvijek može biti zamišljena. Postoje i takvi pojmovi u fizici koji su intuitivno teško shvatiti. Zamah je proizvod makro brzina na masu (ne zaboravimo da je brzina i moment od oba - vektor veličine, tj neovisan o smjeru). Zahvaljujući impulsu, jasno je da će usporeni kameni kamen ostaviti samo modricu ako pogoduje osobu, dok će maleni pelet koji se osloboditi velike brzine probija kroz tijelo. U mikrokozmosu impuls je količina koja karakterizira odnos čestice prema okolnom prostoru, kao i njegovu sposobnost kretanja i interakcije s drugim česticama. Potonji izravno ovisi o energiji. Tako postaje jasno da kvantizacija energije čestica i zamah mora biti međusobno povezana. Štoviše, konstanta h, koja označava najmanji mogući dio fizikalnog fenomena i pokazuje diskretnost količina, ulazi u formulu i energije i zamaha čestica u nanosvijetu. Ali postoji koncept još dalje od intuitivne svijesti - trenutak impulsa. To se odnosi na rotirajuća tijela i pokazuje koliko i na kojoj kutnoj brzini rotira. Podsjetimo, kutna brzina prikazuje količinu rotacije po jedinici vremena. Trenutak puls također je sposoban informirati metodu raspodjele stvari rotirajućeg tijela: objekti s istom masom, ali koncentrirani oko osi rotacije ili na periferiji imat će različiti kutni moment. Kao što je čitatelj vjerojatno već pogađao, u svijetu atoma, energija kutnog momenta kvantirano je.

Kvantno i lasersko

Utjecaj otkrića diskretnosti energije i drugih količina je očigledan. Detaljna studija o svijetu moguće je samo kroz kvantno. Suvremene metode proučavanja materije, korištenje različitih materijala, pa čak i znanosti o njihovom stvaranju - prirodni nastavak razumijevanja kvantizacije energije. Načelo rada i korištenje lasera nije iznimka. Općenito, laser se sastoji od tri glavna elementa: radnog medija, pumpe i reflektora zrcala. Radno tijelo je odabrano na takav način da postoje dvije relativno bliske razine elektrona u njemu. Najvažniji kriterij za ove razine je životni vijek elektrona na njima. To jest, koliko elektroni može preživjeti u određenoj državi prije nego što prijeđe u niži i stabilniji položaj. Od dvije razine, duže treba biti duže. Zatim pumpa (često - obična svjetiljka, ponekad - infracrvena svjetiljka) daje elektrone dovoljno energije da se svi skupljaju na gornjoj razini energije i tamo se nakupljaju. To se zove inverzna populacija razina. Nadalje, neki elektron prolazi u donju i stabilnu državu s emisijom fotona, što uzrokuje propadanje svih elektrona. Posebnost ovog postupka je da svi dobiveni fotoni imaju istu valnu duljinu i koherentni su. Međutim, radni medij, u pravilu, prilično je velik, a u njemu se generiraju tokovi, usmjereni u različitim smjerovima. Uloga reflektorskog zrcala je filtriranje samo onih fotonskih tokova koji su usmjereni na jednu stranu. Kao rezultat, na izlazu se dobiva uska intenzivna zraka koherentnih valova iste valne duljine. U početku je to bilo moguće samo u čvrstom tijelu. Prvi laser imao je umjetni rubin kao radni medij. Sada postoje laseri svih vrsta i vrsta - na tekućine, plin, pa čak i na kemijske reakcije. Kao što čitač vidi, glavnu ulogu u ovom procesu igra apsorpcija i emisija svjetla atomom. Kvantiziranje energije u ovom slučaju samo je osnova za opisivanje teorije.

Svjetlo i elektron

Podsjetimo da prijelaz jednog elektrona u atom iz jedne orbite u drugu prati ili emisija ili apsorpcija energije. Ova energija se pojavljuje kao kvantna svjetlost ili foton. Formalno, foton je čestica, ali se razlikuje od ostalih stanovnika nanoworlda. Foton nema masu, ali ima impuls. To je dokazao ruski znanstvenik Lebedev 1899, što jasno pokazuje pritisak svjetlosti. Foton postoji samo u pokretu i njegova brzina je jednaka brzini svjetlosti. Ovo je najbrži mogući objekt u našem svemiru. Brzina svjetlosti (standardno označen malim latinom "c") iznosi oko tristo tisuća kilometara u sekundi. Na primjer, veličina naše galaksije (ne najveće prema standardima prostora) je oko sto tisuća svjetlosnih godina. Suočen s tvari, foton mu daje energiju u potpunosti, kao da se istodobno otapa. Energija fotona, koja se oslobađa ili apsorbira tijekom prijelaza elektrona iz jedne orbite u drugu, ovisi o udaljenosti između orbita. Ako je mali, otpušta se infracrveno zračenje s niskom energijom, ako se dobije velika, ultraljubičasta.

X-zraka i gama zračenja

Elektromagnetska mjerila nakon ultraljubičastog zračenja sadrže rendgenske zrake i gama zrake. Općenito, oni se preklapaju u širokom rasponu valnih duljina, frekvenciji i energiji. To jest, postoji rendgenski foton s valnom duljinom od 5 pikometara i gama-fotona s istom valnom duljinom. Razlikuju se samo na način na koji se dobivaju. X-zrake nastaju u prisutnosti vrlo brzih elektrona, a gama zračenje dobiva se samo u procesima propadanja i spajanja atomskog jezgri. Röntgen se dijeli na mekom (uz pomoć pluća i ljudskih kostiju) i krutih (obično potrebnih samo za industrijske ili istraživačke svrhe). Ako vrlo snažno ubrzate elektron, a zatim ga naglo usporite (na primjer, šaljući ga na čvrsto tijelo), tada će emitirati rendgenske fotone. U sudarima takvih elektrona s materijom, elektroni iz ciljnih atoma izbacuju se s donjih školjaka. U ovom slučaju, elektroni gornjih školjaka zauzimaju svoje mjesto, a tijekom tranzicije također emitiraju rendgenske zrake.

Gamma kvanti nastaju u drugim slučajevima. Atoma jezgri, iako se sastoje od mnogih elementarnih čestica, također se razlikuju u malim veličinama, što znači da ih karakteriziraju kvantizacija energije. Prijelaz jezgri iz uzbuđenog stanja u donju državu popraćen je emisijom gama kvage. Bilo koja reakcija propadanja ili fuzije jezgre nastavi, uključujući i početak gama fotona.

Nuklearna reakcija

Malo prije smo spomenuli da atomske jezgre također poštuju zakone kvantnog svijeta. No postoje prirode tvari s takvim velikim jezgrama da postaju nestabilne. Oni imaju tendenciju da se upadaju u manje i stabilnije komponente. Njima, kako čitatelj već vjerojatno pogađa, uključuju, na primjer, plutonij i uranij. Kad je naš planet formiran s protoplanetarnog diska, imao je određenu količinu radioaktivnih tvari. S vremenom se raspadali, pretvarajući se u druge kemijske elemente. Unatoč tomu, dosad je došlo do određene količine neotopljenog urana, a broj svoje može suditi, na primjer, dobi Zemlje. Za kemijske elemente koji posjeduju prirodna radioaktivnost, postoji takva karakteristika kao poluvijek. Ovo je razdoblje u kojem će se broj preostalih atoma ove vrste prepoloviti. Poluvrijeme plutonija, primjerice, javlja se više od dvadeset i četiri tisuće godina. Međutim, osim prirodne radioaktivnosti, postoji i prisilna radioaktivnost. Ako se teških alfa čestica ili svjetlosnih neutrona bombardiraju atomskim jezgrama, oni se raspadaju. U ovom slučaju se razlikuju tri vrste ionizirajućeg zračenja: alfa čestice, beta čestice, gama zrake. Beta propadanje dovodi do promjene nuklearnog naboja po jedinici. Alfa čestice uzimaju dva pozitrona iz jezgre. Gamma zračenje nema napajanje i ne odstupa od elektromagnetskog polja, ali ima najveću penetracijsku snagu. Kvantiziranje energije događa se u svim slučajevima nuklearnog raspadanja.

Rat i mir

Laseri, rendgenske zrake, proučavanje čvrstih i zvijezda su sve mirne primjene znanja o kvantima. Međutim, naš svijet je pun prijetnji, a svi se nastoje zaštititi. Znanost služi i za vojne svrhe. Čak i takav čisto teorijski fenomen kao kvantizacija energije stavlja se na sat svijeta. Određivanje diskretnosti bilo kojeg zračenja, na primjer, stvorilo je osnovu nuklearnog oružja. Naravno, postoji samo nekoliko jedinica borbene uporabe - sigurno, čitatelj pamti Hirošimu i Nagasaki. Sve ostale prilike za pritiskanje dragocjenog crvenog gumba bile su više ili manje mirne. Tu je i uvijek pitanje radioaktivnog onečišćenja okoliša. Na primjer, gornji polumjer plutonija čini teren u koji ovaj element pada, neprikladan za uporabu vrlo dugo, gotovo u geološkom razdoblju.

Voda i žice

Vratimo se mirnoj upotrebi nuklearnih reakcija. Govor, naravno, govori o generaciji električne energije uz pomoć fisija jezgara. Ovaj proces izgleda ovako:

U aktivnoj zoni reaktora, prvo, postoje slobodni neutroni, a potom pretvaraju radioaktivni element (obično izotop iz urana) koji prolazi kroz propadanje alfa ili beta.

Kako bi ova reakcija ne prolazila u nekontroliranu fazu, reaktorska jezgra sadrži tzv. Usporivače. U pravilu, to su šipke od grafitne koja vrlo dobro apsorbiraju neutrone. Podešavajući njihovu duljinu, možete pratiti brzinu reakcije.

Kao rezultat toga, jedan element pretvara u drugi, a nevjerojatna količina energije se oslobađa. Ta energija apsorbira rezervoar pun tzv. Teške vode (umjesto vodika u deuterijskim molekulama). Kao rezultat kontakt s jezgrom reaktora, ova voda je jako kontaminirana proizvodima radioaktivno raspadanje. Upravo je korištenje ove vode najveći problem nuklearna elektrana u ovom trenutku.

U prvom krugu vode nalazi se drugi, drugi - treći. Voda trećeg kruga već je sigurna za uporabu, i pretvara turbinu koja proizvodi električnu energiju.

Unatoč takvom velikom broju posrednika između direktnih jezgri koji otpuštaju energiju i krajnjeg korisnika (nemojte zaboraviti desetke kilometara žica, na kojima postoji i gubitak snage), ta reakcija daje nevjerojatnu snagu. Na primjer, jedna nuklearna elektrana može isporučiti električnu energiju na čitavom području s različitim industrijskim poduzećima.