Ovaj članak govori o tome što je kvantizacija energije i kakvo značenje ovaj fenomen ima za modernu znanost. Navedena je povijest otkrića diskretnosti energije, kao i područja primjene kvantizacije atoma.
Kraj fizike
Krajem devetnaestog stoljeća znanstvenici su se suočili s dilemom: na tadašnjoj razini razvoja tehnologije otkriveni su, opisani i proučavani svi mogući zakoni fizike. Učenicima koji su imali visoko razvijene sposobnosti u području prirodnih znanosti učitelji nisu savjetovali da biraju fiziku. Vjerovali su da se u njemu više ne može proslaviti, samo je rutinski rad na proučavanju sitnih sitnijih detalja. Ovo je više odgovaralo pažljivoj osobi, a ne nadarenoj. No, fotografija, koja je bila više zabavno otkriće, dala je razlog za razmišljanje. Sve je počelo jednostavnim nedosljednostima. Za početak, pokazalo se da svjetlost nije bila potpuno kontinuirana: pod određenim uvjetima, gorući vodik ostavio je niz linija na fotografskoj ploči umjesto jedne točke. Nadalje se pokazalo da spektri helija imajuviše linija od spektra vodika. Tada se pokazalo da se trag nekih zvijezda razlikuje od drugih. A čista znatiželja natjerala je istraživače da ručno stavljaju jedno iskustvo za drugim u potrazi za odgovorima na pitanja. Nisu razmišljali o komercijalnoj primjeni svojih otkrića.
Planck i kvantna
Na našu sreću, ovaj napredak u fizici bio je popraćen razvojem matematike. Zato što se objašnjenje onoga što se događalo uklapalo u nevjerojatno složene formule. Godine 1900. Max Planck, radeći na teoriji zračenja crnog tijela, otkrio je da je energija kvantizirana. Ukratko opisati značenje ove izjave je prilično jednostavno. Svaka elementarna čestica može biti samo u nekim specifičnim stanjima. Ako damo grubi model, tada brojač takvih stanja može pokazati brojeve 1, 3, 8, 13, 29, 138. A sve ostale vrijednosti između njih su nedostupne. Razloge za to otkrit ćemo malo kasnije. Međutim, ako se zadubite u povijest ovog otkrića, vrijedno je napomenuti da je sam znanstvenik do kraja svog života smatrao kvantizaciju energije samo zgodnim matematičkim trikom, koji nije obdaren ozbiljnim fizičkim značenjem.
val i misa
Početak dvadesetog stoljeća bio je pun otkrića vezanih za svijet elementarnih čestica. Ali velika misterija bio je sljedeći paradoks: u nekim slučajevima čestice su se ponašale kao objekti s masom (i, prema tome, zamahom), au nekim slučajevima kao val. Nakon duge i tvrdoglave rasprave, morao sam doći do nevjerojatnog zaključka: elektroni, protoni ineutroni imaju ta svojstva u isto vrijeme. Ovaj fenomen nazvan je korpuskularno-valni dualizam (u govoru ruskih znanstvenika prije dvije stotine godina čestica se zvala korpuskula). Dakle, elektron je određena masa, kao da je razmazan u val određene frekvencije. Elektron koji se okreće oko jezgre atoma beskonačno postavlja svoje valove jedan na drugi. Posljedično, samo na određenim udaljenostima od središta (koje ovise o valnoj duljini) valovi elektrona, rotirajući, međusobno se ne poništavaju. To se događa kada se, kada se "glava" valnog elektrona superponira na njegov "rep", maksimumi poklapaju s maksimumima, a minimumi s minimumima. To objašnjava kvantizaciju energije atoma, odnosno prisutnost strogo definiranih orbita u njemu, na kojima može postojati elektron.
Sferični nanokonj u vakuumu
Međutim, pravi su sustavi nevjerojatno složeni. Poštivajući gore opisanu logiku, još uvijek se može razumjeti sustav orbita elektrona u vodiku i heliju. Međutim, već su potrebni daljnji složeni izračuni. Kako bi ih naučili razumjeti, moderni studenti proučavaju kvantizaciju energije čestica u potencijalnoj bušotini. Za početak se bira idealno oblikovana bušotina i jedan model elektrona. Za njih rješavaju Schrödingerovu jednadžbu, pronalaze energetske razine na kojima elektron može biti. Nakon toga uče tražiti ovisnosti uvođenjem sve više i više varijabli: širina i dubina bušotine, energija i frekvencija elektrona gube svoju sigurnost, dodajući složenost jednadžbi. Unaprijeditimijenja se oblik jame (na primjer, postaje četvrtast ili nazubljen u profilu, njezini rubovi gube simetriju), uzimaju se hipotetske elementarne čestice s određenim karakteristikama. I tek tada uče rješavati probleme koji uključuju kvantizaciju energije zračenja stvarnih atoma i još složenijih sustava.
Moment, kutni moment
Međutim, razina energije, recimo, elektrona je više-manje razumljiva veličina. Ovako ili onako, svi zamišljaju da veća energija baterija centralnog grijanja odgovara višoj temperaturi u stanu. Sukladno tome, kvantizacija energije se još uvijek može zamisliti spekulativno. Postoje i pojmovi u fizici koje je teško intuitivno shvatiti. U makrokozmosu, zamah je umnožak brzine i mase (ne zaboravite da je brzina, kao i zamah, vektorska veličina, odnosno ovisi o smjeru). Upravo zahvaljujući zamahu jasno je da će sporo leteći kamen srednje veličine ostaviti modricu samo ako pogodi osobu, dok će mali metak ispaljen velikom brzinom probiti tijelo kroz i kroz. U mikrokozmosu, impuls je takva veličina koja karakterizira povezanost čestice s okolnim prostorom, kao i njezinu sposobnost kretanja i interakcije s drugim česticama. Potonji izravno ovisi o energiji. Stoga postaje jasno da kvantizacija energije i impulsa čestice moraju biti međusobno povezani. Štoviše, konstanta h, koja označava najmanji mogući dio fizičke pojave i pokazuje diskretnost veličina, uključena je u formulu ienergija i zamah čestica u nanosvijetu. Ali postoji koncept koji je još udaljeniji od intuitivne svjesnosti – trenutak impulsa. Odnosi se na rotirajuća tijela i označava koja masa i kojom kutnom brzinom rotira. Podsjetimo da kutna brzina označava količinu rotacije u jedinici vremena. Kutni moment također može odrediti način na koji je tvar rotirajućeg tijela raspoređena: objekti s istom masom, ali koncentrirani blizu osi rotacije ili na periferiji, imat će drugačiji kutni moment. Kao što čitatelj vjerojatno već nagađa, u svijetu atoma energija kutnog momenta je kvantizirana.
Kvantni i laser
Utjecaj otkrića diskretnosti energije i drugih veličina je očit. Detaljno proučavanje svijeta moguće je samo zahvaljujući kvantu. Suvremene metode proučavanja materije, korištenje raznih materijala, pa čak i znanost o njihovom stvaranju prirodni su nastavak razumijevanja što je kvantizacija energije. Princip rada i korištenje lasera nije iznimka. Općenito, laser se sastoji od tri glavna elementa: radnog fluida, pumpe i reflektirajućeg zrcala. Radni fluid je odabran na način da u njemu postoje dvije relativno bliske razine za elektrone. Najvažniji kriterij za ove razine je životni vijek elektrona na njima. To jest, koliko dugo elektron može izdržati u određenom stanju prije nego što se pomakne u niži i stabilniji položaj. Od dvije razine, gornja bi trebala biti dugovječna. Zatim pumpanje (često s konvencionalnom svjetiljkom, ponekad s infracrvenom svjetiljkom) daje elektronedovoljno energije da se svi skupe na najvišoj razini energije i tamo akumuliraju. To se naziva populacija inverzne razine. Nadalje, neki elektron prelazi u niže i stabilnije stanje s emisijom fotona, što uzrokuje slom svih elektrona prema dolje. Posebnost ovog procesa je da svi dobiveni fotoni imaju istu valnu duljinu i koherentni su. Međutim, radno tijelo je u pravilu prilično veliko i u njemu se stvaraju tokovi usmjereni u različitim smjerovima. Uloga reflektirajućeg zrcala je filtriranje samo onih tokova fotona koji su usmjereni u jednom smjeru. Kao rezultat toga, izlaz je uski intenzivan snop koherentnih valova iste valne duljine. U početku se to smatralo mogućim samo u čvrstom stanju. Prvi laser je kao radni medij imao umjetni rubin. Sada postoje laseri svih vrsta i vrsta - na tekućine, plinove, pa čak i na kemijske reakcije. Kao što čitatelj vidi, glavnu ulogu u ovom procesu igra apsorpcija i emisija svjetlosti od strane atoma. U ovom slučaju, kvantizacija energije je samo osnova za opisivanje teorije.
Svjetlo i elektron
Prisjetimo se da je prijelaz elektrona u atomu iz jedne orbite u drugu popraćen ili emisijom ili apsorpcijom energije. Ova energija se pojavljuje u obliku kvanta svjetlosti ili fotona. Formalno, foton je čestica, ali se razlikuje od ostalih stanovnika nanosvijeta. Foton nema masu, ali ima zamah. To je dokazao ruski znanstvenik Lebedev 1899. godine, jasno demonstrirajući pritisak svjetlosti. Foton postoji samo u kretanju i njegovoj brzinijednak brzini svjetlosti. To je najbrži mogući objekt u našem svemiru. Brzina svjetlosti (standardno označena malim latinskim "c") je oko tristo tisuća kilometara u sekundi. Na primjer, veličina naše galaksije (nije najveća u svemirskom smislu) je oko sto tisuća svjetlosnih godina. Sudarajući se s materijom, foton joj daje svoju energiju u potpunosti, kao da se u ovom slučaju otapa. Energija fotona koja se oslobađa ili apsorbira kada se elektron kreće s jedne orbite na drugu ovisi o udaljenosti između orbita. Ako je mali, emitira se infracrveno zračenje niske energije, ako je veliko, dobiva se ultraljubičasto.
Rentgensko i gama zračenje
Elektromagnetska vaga nakon ultraljubičastog sadrži rendgensko i gama zračenje. Općenito, oni se preklapaju u valnoj duljini, frekvenciji i energiji u prilično širokom rasponu. Odnosno, postoji rendgenski foton valne duljine od 5 pikometara i gama foton iste valne duljine. Razlikuju se samo po načinu na koji su primljeni. X-zrake se javljaju u prisutnosti vrlo brzih elektrona, a gama zračenje se dobiva samo u procesima raspada i fuzije atomskih jezgri. X-zraka se dijeli na meku (koristeći se za prikaz kroz pluća i kosti osobe) i tvrdu (obično je potrebna samo u industrijske ili istraživačke svrhe). Ako vrlo snažno ubrzate elektron, a zatim ga naglo usporite (na primjer, usmjeravajući ga u čvrsto tijelo), tada će emitirati rendgenske fotone. Kada se takvi elektroni sudare s materijom, ciljni atomi izbijajuelektrona iz nižih ljuski. U ovom slučaju, elektroni gornjih ljuski zauzimaju njihovo mjesto, također emitirajući X-zrake tijekom prijelaza.
Gama kvanti javljaju se u drugim slučajevima. Jezgre atoma, iako se sastoje od mnogih elementarnih čestica, također su male veličine, što znači da ih karakterizira kvantizacija energije. Prijelaz jezgri iz pobuđenog stanja u niže stanje upravo je popraćen emisijom gama zraka. Nastavlja se svaka reakcija raspada ili fuzije jezgri, uključujući pojavu gama fotona.
Nuklearna reakcija
Nešto više spomenuli smo da se i atomske jezgre pokoravaju zakonima kvantnog svijeta. Ali u prirodi postoje tvari s tako velikim jezgrama da postaju nestabilne. Sklone su raspadanju na manje i stabilnije komponente. Među njima su, kako čitatelj vjerojatno već nagađa, primjerice plutonij i uran. Kada je naš planet nastao od protoplanetarnog diska, u sebi je imao određenu količinu radioaktivnih tvari. S vremenom su se raspadali, pretvarajući se u druge kemijske elemente. No, ipak je određena količina neraspadnutog urana preživjela do danas, a po njegovoj količini može se suditi, primjerice, o starosti Zemlje. Za kemijske elemente koji imaju prirodnu radioaktivnost postoji takva karakteristika kao što je poluživot. Ovo je vremenski period tijekom kojeg će se broj preostalih atoma ove vrste prepoloviti. Poluživot plutonija, na primjer, događa se u dvadeset četiri tisuće godina. No, osim prirodne radioaktivnosti postoji i prisilna. Kada se bombardiraju teškim alfa česticama ili lakim neutronima, jezgre atoma se raspadaju. U ovom slučaju razlikuju se tri vrste ionizirajućeg zračenja: alfa čestice, beta čestice, gama zrake. Beta raspad uzrokuje promjenu nuklearnog naboja za jedan. Alfa čestice uzimaju dva pozitrona iz jezgre. Gama zračenje nema naboj i ne odbija ga elektromagnetsko polje, ali ima najveću prodornu moć. Kvantizacija energije događa se u svim slučajevima nuklearnog raspada.
Rat i mir
Laseri, x-zrake, proučavanje čvrstih tijela i zvijezda - sve su to mirne primjene znanja o kvantima. Međutim, naš svijet je pun prijetnji i svatko se nastoji zaštititi. Znanost također služi u vojne svrhe. Čak je i takav čisto teorijski fenomen kao što je kvantizacija energije stavljen na stražu svijeta. Definicija diskretnosti bilo kojeg zračenja, na primjer, činila je osnovu nuklearnog oružja. Naravno, ima samo nekoliko njegovih borbenih primjena - čitatelj se vjerojatno sjeća Hirošime i Nagasakija. Svi ostali razlozi da pritisnete željeni crveni gumb bili su manje-više mirni. Također, uvijek se postavlja pitanje radioaktivne kontaminacije okoliša. Na primjer, vrijeme poluraspada plutonija, gore navedeno, čini krajolik u koji ovaj element ulazi neupotrebljivim za vrlo dugo vremena, gotovo geološka epoha.
Voda i žice
Vratimo se na miroljubivo korištenje nuklearnih reakcija. Govorimo, naravno, o stvaranju električne energije nuklearnom fisijom. Proces izgleda ovako:
U jezgriU reaktoru se prvo pojavljuju slobodni neutroni, a zatim udaraju u radioaktivni element (obično izotop urana), koji prolazi alfa ili beta raspad.
Kako bi se spriječilo da ova reakcija ne pređe u nekontrolirani stadij, jezgra reaktora sadrži takozvane moderatore. U pravilu su to grafitne šipke, koje vrlo dobro upijaju neutrone. Prilagodbom njihove duljine možete pratiti brzinu reakcije.
Kao rezultat toga, jedan element se pretvara u drugi, a oslobađa se nevjerojatna količina energije. Ovu energiju apsorbira posuda napunjena takozvanom teškom vodom (umjesto vodika u molekulama deuterija). Kao rezultat kontakta s jezgrom reaktora, ova voda je jako onečišćena produktima radioaktivnog raspada. Upravo je zbrinjavanje ove vode najveći problem nuklearne energije u ovom trenutku.
Drugi je postavljen u prvi vodeni krug, treći je postavljen u drugi. Voda trećeg kruga već je sigurna za korištenje, a ona je ta koja okreće turbinu, koja proizvodi električnu energiju.
Unatoč tako velikom broju posrednika između izravno generirajućih jezgri i krajnjeg potrošača (ne zaboravimo na desetke kilometara žica koje također gube struju), ova reakcija daje nevjerojatnu snagu. Na primjer, jedna nuklearna elektrana može opskrbljivati električnom energijom cijelo područje s mnogo industrija.
