Den här artikeln talar om vad energikvantisering är och vilken betydelse detta fenomen har för modern vetenskap. Historien om upptäckten av energins diskrethet ges, liksom tillämpningsområdena för kvantisering av atomer.
End of Physics
I slutet av artonhundratalet stod vetenskapsmän inför ett dilemma: på den dåvarande nivån av teknikutveckling upptäcktes, beskrevs och studerades alla möjliga fysikens lagar. Elever som hade högt utvecklade förmågor inom det naturvetenskapliga området fick inte rådet av lärare att välja fysik. De trodde att det inte längre gick att bli känd i det, det fanns bara rutinarbete för att studera små mindre detaljer. Detta var mer lämpat för en uppmärksam person, snarare än en begåvad. Bilden, som var mer av en underhållande upptäckt, gav dock anledning till eftertanke. Allt började med enkla inkonsekvenser. Till att börja med visade det sig att ljuset inte var helt kontinuerligt: under vissa förhållanden lämnade brinnande väte en serie linjer på den fotografiska plattan istället för en enda fläck. Vidare visade det sig att spektra av helium hadefler linjer än vätespektra. Sedan upptäcktes att spåret av vissa stjärnor skiljer sig från andra. Och ren nyfikenhet tvingade forskarna att manuellt lägga den ena upplevelsen efter den andra i jakten på svar på frågor. De tänkte inte på den kommersiella tillämpningen av sina upptäckter.
Planck and quantum
Lyckligtvis för oss åtföljdes detta genombrott inom fysiken av utvecklingen av matematik. För förklaringen av vad som hände passade in i otroligt komplexa formler. År 1900 upptäckte Max Planck, som arbetade med teorin om svart kroppsstrålning, att energi är kvantiserad. Beskriv kort innebörden av detta uttalande är ganska enkelt. Alla elementarpartiklar kan bara vara i vissa specifika tillstånd. Om vi ger en grov modell, kan räknaren för sådana tillstånd visa siffrorna 1, 3, 8, 13, 29, 138. Och alla andra värden mellan dem är otillgängliga. Vi kommer att avslöja orsakerna till detta lite senare. Men om du fördjupar dig i historien om denna upptäckt är det värt att notera att vetenskapsmannen själv, fram till slutet av sitt liv, ansåg att energikvantisering endast var ett bekvämt matematiskt knep, inte försett med allvarlig fysisk mening.
Våg och massa
Början av 1900-talet var full av upptäckter relaterade till elementarpartiklarnas värld. Men det stora mysteriet var följande paradox: i vissa fall betedde sig partiklarna som föremål med massa (och följaktligen fart), och i vissa fall som en våg. Efter lång och envis debatt var jag tvungen att komma till en otrolig slutsats: elektroner, protoner ochneutroner har dessa egenskaper samtidigt. Detta fenomen kallades corpuscular-wave dualism (i ryska forskares tal för två hundra år sedan kallades en partikel en corpuscle). Således är en elektron en viss massa, som om den smetades in i en våg med en viss frekvens. En elektron som kretsar kring en atoms kärna lägger oändligt sina vågor ovanpå varandra. Följaktligen, endast på vissa avstånd från centrum (som beror på våglängden) tar inte elektronvågorna, roterande, ut varandra. Detta händer när, när "huvudet" av en vågelektron är överlagrat på dess "svans", maxima sammanfaller med maxima, och minima sammanfaller med minima. Detta förklarar kvantiseringen av en atoms energi, det vill säga närvaron av strikt definierade banor i den, på vilka en elektron kan existera.
Sfärisk nanohäst i vakuum
Men riktiga system är otroligt komplexa. Genom att följa logiken som beskrivits ovan kan man fortfarande förstå systemet med banor för elektroner i väte och helium. Ytterligare komplexa beräkningar krävs dock redan. För att lära sig att förstå dem studerar moderna elever kvantiseringen av partikelenergi i en potentiell brunn. Till att börja med väljs en idealiskt formad brunn och en enkel modellelektron. För dem löser de Schrödinger-ekvationen, hittar energinivåerna vid vilka elektronen kan vara. Efter det lär de sig att leta efter beroenden genom att introducera fler och fler variabler: brunnens bredd och djup, elektronens energi och frekvens förlorar sin säkerhet, vilket gör ekvationerna mer komplexa. Ytterligareformen på gropen ändras (till exempel blir den kvadratisk eller taggig i profilen, dess kanter förlorar sin symmetri), hypotetiska elementarpartiklar med specificerade egenskaper tas. Och först då lär de sig att lösa problem som involverar kvantisering av strålningsenergin från verkliga atomer och ännu mer komplexa system.
Momentum, vinkelmomentum
Men energinivån för, säg, en elektron är en mer eller mindre förståelig storhet. På ett eller annat sätt föreställer sig alla att den högre energin hos centralvärmebatterierna motsvarar en högre temperatur i lägenheten. Följaktligen kan kvantiseringen av energi fortfarande föreställas spekulativt. Det finns också begrepp inom fysiken som är svåra att förstå intuitivt. I makrokosmos är rörelsemängd produkten av hastighet och massa (glöm inte att hastighet, liksom rörelsemängd, är en vektorkvantitet, det vill säga den beror på riktning). Det är tack vare farten som det står klart att en långsamt flygande medelstor sten bara kommer att lämna ett blåmärke om den träffar en person, medan en liten kula som avfyras i hög hastighet kommer att tränga igenom kroppen genom och igenom. I mikrokosmos är momentum en sådan kvantitet som kännetecknar kopplingen av en partikel med det omgivande rummet, liksom dess förmåga att röra sig och interagera med andra partiklar. Det senare beror direkt på energin. Således blir det tydligt att kvantiseringen av energi och rörelsemängd hos en partikel måste vara sammankopplade. Dessutom ingår konstanten h, som betecknar den minsta möjliga delen av ett fysiskt fenomen och visar diskretiteten hos kvantiteter, i formeln ochenergi och momentum av partiklar i nanovärlden. Men det finns ett koncept som är ännu mer avlägset från intuitiv medvetenhet - impulsens ögonblick. Det hänvisar till roterande kroppar och anger vilken massa och med vilken vinkelhastighet som roterar. Kom ihåg att vinkelhastigheten anger mängden rotation per tidsenhet. Vinkelmomentet kan också berätta hur substansen i en roterande kropp är fördelad: föremål med samma massa, men koncentrerade nära rotationsaxeln eller i periferin, kommer att ha en annan vinkelrörelsemängd. Som läsaren antagligen redan gissar, kvantiseras energin i rörelsemängden i atomens värld.
Quantum and laser
Inflytandet av upptäckten av diskretheten i energi och andra kvantiteter är uppenbar. En detaljerad studie av världen är endast möjlig tack vare kvantumet. Moderna metoder för att studera materia, användningen av olika material och till och med vetenskapen om deras skapelse är en naturlig fortsättning på att förstå vad energikvantisering är. Principen för drift och användning av en laser är inget undantag. I allmänhet består lasern av tre huvudelement: arbetsvätskan, pumpande och reflekterande spegel. Arbetsvätskan är vald på ett sådant sätt att två relativt nära nivåer för elektroner finns i den. Det viktigaste kriteriet för dessa nivåer är livslängden för elektroner på dem. Det vill säga hur länge en elektron klarar av att hålla ut i ett visst tillstånd innan den går till en lägre och mer stabil position. Av de två nivåerna bör den övre vara den som har längre livslängd. Sedan ger pumpning (ofta med en konventionell lampa, ibland med en infraröd lampa) elektronernatillräckligt med energi för att de alla ska kunna samlas på den högsta energinivån och samlas där. Detta kallas inversnivåpopulation. Vidare övergår någon elektron till ett lägre och mer stabilt tillstånd med emission av en foton, vilket orsakar en nedbrytning av alla elektroner nedåt. Det speciella med denna process är att alla resulterande fotoner har samma våglängd och är koherenta. Arbetskroppen är dock som regel ganska stor, och flöden genereras i den, riktade i olika riktningar. Den reflekterande spegelns roll är att filtrera bort endast de fotonströmmar som är riktade i en riktning. Som ett resultat är utsignalen en smal intensiv stråle av koherenta vågor med samma våglängd. Till en början ansågs detta endast möjligt i fast tillstånd. Den första lasern hade en konstgjord rubin som ett arbetsmedium. Nu finns det lasrar av alla slag och typer - på vätskor, gaser och till och med på kemiska reaktioner. Som läsaren ser spelas huvudrollen i denna process av atomens absorption och emission av ljus. I det här fallet är energikvantisering endast grunden för att beskriva teorin.
Ljus och elektron
Kom ihåg att övergången av en elektron i en atom från en bana till en annan åtföljs av antingen emission eller absorption av energi. Denna energi uppträder i form av ett ljuskvantum eller en foton. Formellt är en foton en partikel, men den skiljer sig från andra invånare i nanovärlden. En foton har ingen massa, men den har momentum. Detta bevisades av den ryske forskaren Lebedev 1899, vilket tydligt visar ljusets tryck. En foton existerar bara i rörelse och dess hastighetlika med ljusets hastighet. Det är det snabbaste möjliga objektet i vårt universum. Ljusets hastighet (standard betecknad med det lilla latinska "c") är cirka trehundratusen kilometer per sekund. Till exempel är storleken på vår galax (inte den största i rymdtermer) cirka hundra tusen ljusår. När den kolliderar med materia ger fotonen den sin energi helt, som om den löses upp i detta fall. Energin hos en foton som frigörs eller absorberas när en elektron rör sig från en bana till en annan beror på avståndet mellan banorna. Om den är liten sänds ut infraröd strålning med låg energi, är den stor erhålls ultraviolett.
röntgen- och gammastrålning
Den elektromagnetiska skalan efter ultraviolett ljus innehåller röntgen- och gammastrålning. I allmänhet överlappar de varandra i våglängd, frekvens och energi i ett ganska brett område. Det vill säga att det finns en röntgenfoton med en våglängd på 5 pikometer och en gammafoton med samma våglängd. De skiljer sig bara åt i hur de tas emot. Röntgenstrålar förekommer i närvaro av mycket snabba elektroner, och gammastrålning erhålls endast i processerna för sönderfall och fusion av atomkärnor. Röntgen är uppdelad i mjuk (använder den för att visa genom lungor och ben hos en person) och hård (behövs vanligtvis endast för industriella eller forskningsändamål). Om du accelererar elektronen mycket kraftigt och sedan bromsar in den kraftigt (till exempel genom att rikta den in i en fast kropp), kommer den att avge röntgenfotoner. När sådana elektroner kolliderar med materia bryter målatomerna utelektroner från lägre skal. I det här fallet tar elektronerna i de övre skalen sin plats och sänder också ut röntgenstrålar under övergången.
Gamma-kvanta förekommer i andra fall. Atomernas kärnor, även om de består av många elementarpartiklar, är också små i storlek, vilket innebär att de kännetecknas av energikvantisering. Övergången av kärnor från ett exciterat tillstånd till ett lägre tillstånd åtföljs exakt av emission av gammastrålar. Varje reaktion av sönderfall eller sammansmältning av kärnor fortsätter, inklusive med uppkomsten av gammafotoner.
Kärnreaktion
Lite högre nämnde vi att atomkärnor också lyder kvantvärldens lagar. Men det finns ämnen i naturen med så stora kärnor att de blir instabila. De tenderar att brytas ner i mindre och mer stabila komponenter. Dessa, som läsaren säkert redan gissar, inkluderar till exempel plutonium och uran. När vår planet bildades från en protoplanetarisk skiva hade den en viss mängd radioaktiva ämnen i sig. Med tiden förföll de och förvandlades till andra kemiska grundämnen. Men ändå har en viss mängd orördt uran överlevt till denna dag, och utifrån dess mängd kan man till exempel bedöma jordens ålder. För kemiska grundämnen som har naturlig radioaktivitet finns en sådan egenskap som halveringstid. Detta är den tidsperiod under vilken antalet återstående atomer av denna typ kommer att halveras. Halveringstiden för plutonium inträffar till exempel om tjugofyra tusen år. Men förutom naturlig radioaktivitet finns det också påtvingad. När de bombarderas med tunga alfapartiklar eller lätta neutroner bryts atomernas kärnor sönder. I det här fallet särskiljs tre typer av joniserande strålning: alfapartiklar, beta-partiklar, gammastrålar. Beta-sönderfall gör att kärnladdningen ändras med en. Alfa-partiklar tar två positroner från kärnan. Gammastrålning har ingen laddning och avböjs inte av ett elektromagnetiskt fält, men den har den högsta penetrerande kraften. Energikvantisering sker i alla fall av kärnkraftsförfall.
Krig och fred
Lasrar, röntgenstrålar, studier av fasta ämnen och stjärnor – allt detta är fridfulla tillämpningar av kunskap om kvanta. Men vår värld är full av hot, och alla försöker skydda sig själva. Vetenskapen tjänar också militära syften. Även ett sådant rent teoretiskt fenomen som kvantisering av energi har satts på vakt över världen. Definitionen av diskretiteten hos all strålning, till exempel, utgjorde grunden för kärnvapen. Naturligtvis finns det bara ett fåtal av dess stridsapplikationer - läsaren minns förmodligen Hiroshima och Nagasaki. Alla andra skäl att trycka på den eftertraktade röda knappen var mer eller mindre fridfulla. Det finns också alltid frågan om radioaktiv kontaminering av miljön. Till exempel gör halveringstiden för plutonium, som anges ovan, landskapet där detta grundämne kommer in obrukbart under mycket lång tid, nästan en geologisk epok.
Vatten och ledningar
Låt oss återgå till den fredliga användningen av kärnreaktioner. Vi talar naturligtvis om att generera elektricitet genom kärnklyvning. Processen ser ut så här:
I kärnanI reaktorn uppstår först fria neutroner och sedan träffar de ett radioaktivt grundämne (vanligtvis en isotop av uran), som genomgår alfa- eller beta-sönderfall.
För att förhindra att denna reaktion går in i ett okontrollerat stadium, innehåller reaktorhärden så kallade moderatorer. Som regel är dessa grafitstavar, som absorberar neutroner mycket bra. Genom att justera deras längd kan du övervaka reaktionshastigheten.
Som ett resultat förvandlas ett element till ett annat, och en otrolig mängd energi frigörs. Denna energi absorberas av en behållare fylld med så kallat tungt vatten (istället för väte i deuteriummolekyler). Till följd av kontakt med reaktorhärden är detta vatten kraftigt förorenat med radioaktiva sönderfallsprodukter. Det är bortskaffandet av detta vatten som är det största problemet med kärnenergi för tillfället.
Den andra placeras i den första vattenkretsen, den tredje placeras i den andra. Vattnet i den tredje kretsen är redan säkert att använda, och det är hon som vänder turbinen, som genererar elektricitet.
Trots ett så stort antal mellanhänder mellan de direkt genererande kärnorna och slutkonsumenten (låt oss inte glömma de tiotals kilometer av ledningar som också tappar ström), ger denna reaktion otrolig kraft. Till exempel kan ett kärnkraftverk leverera el till ett helt område med många industrier.
