Artikel ini membincangkan tentang kuantisasi tenaga dan kepentingan fenomena ini untuk sains moden. Sejarah penemuan diskret tenaga diberikan, serta bidang aplikasi kuantisasi atom.
Tamat Fizik
Pada penghujung abad kesembilan belas, saintis menghadapi dilema: pada tahap perkembangan teknologi ketika itu, semua kemungkinan undang-undang fizik ditemui, diterangkan dan dikaji. Murid yang mempunyai kebolehan yang tinggi dalam bidang sains semula jadi tidak dinasihatkan oleh guru untuk memilih fizik. Mereka percaya bahawa tidak mungkin untuk menjadi terkenal di dalamnya, hanya ada kerja rutin untuk mengkaji butiran kecil kecil. Ini lebih sesuai untuk orang yang penuh perhatian, bukannya orang yang berbakat. Namun, foto yang lebih merupakan penemuan yang menghiburkan itu memberi alasan untuk berfikir. Semuanya bermula dengan ketidakkonsistenan yang mudah. Sebagai permulaan, ternyata cahaya itu tidak sepenuhnya berterusan: dalam keadaan tertentu, pembakaran hidrogen meninggalkan satu siri garisan pada plat fotografi dan bukannya satu tempat. Selanjutnya ternyata bahawa spektrum helium mempunyailebih banyak garis daripada spektrum hidrogen. Kemudian didapati bahawa jejak beberapa bintang adalah berbeza daripada yang lain. Dan rasa ingin tahu yang tulen memaksa para penyelidik untuk meletakkan satu demi satu pengalaman secara manual untuk mencari jawapan kepada soalan. Mereka tidak memikirkan tentang aplikasi komersial penemuan mereka.
Rancangan dan kuantum
Nasib baik bagi kami, kejayaan dalam fizik ini disertai dengan perkembangan matematik. Kerana penjelasan tentang apa yang berlaku sesuai dengan formula yang sangat kompleks. Pada tahun 1900, Max Planck, bekerja pada teori sinaran badan hitam, mendapati bahawa tenaga dikuantisasi. Terangkan secara ringkas maksud pernyataan ini agak mudah. Mana-mana zarah asas hanya boleh berada dalam beberapa keadaan tertentu. Jika kita memberikan model kasar, maka pembilang negeri tersebut boleh menunjukkan nombor 1, 3, 8, 13, 29, 138. Dan semua nilai lain di antara mereka tidak boleh diakses. Kami akan mendedahkan sebab untuk ini sedikit kemudian. Walau bagaimanapun, jika anda menyelidiki sejarah penemuan ini, perlu diperhatikan bahawa saintis itu sendiri, sehingga akhir hayatnya, menganggap pengkuantitian tenaga hanya sebagai helah matematik yang mudah, tidak dikurniakan makna fizikal yang serius.
Gelombang dan Jisim
Permulaan abad kedua puluh penuh dengan penemuan yang berkaitan dengan dunia zarah asas. Tetapi misteri besar adalah paradoks berikut: dalam beberapa kes, zarah berkelakuan seperti objek dengan jisim (dan, dengan itu, momentum), dan dalam beberapa kes, seperti gelombang. Selepas perdebatan yang panjang dan degil, saya terpaksa membuat kesimpulan yang luar biasa: elektron, proton danneutron mempunyai sifat ini pada masa yang sama. Fenomena ini dipanggil dualisme gelombang korpuskular (dalam ucapan saintis Rusia dua ratus tahun yang lalu, zarah dipanggil corpuscle). Oleh itu, elektron adalah jisim tertentu, seolah-olah disapu ke dalam gelombang frekuensi tertentu. Elektron yang beredar mengelilingi nukleus atom tanpa henti menindih gelombangnya di atas satu sama lain. Akibatnya, hanya pada jarak tertentu dari pusat (yang bergantung pada panjang gelombang) gelombang elektron, berputar, tidak membatalkan satu sama lain. Ini berlaku apabila, apabila "kepala" elektron gelombang ditumpangkan pada "ekornya", maksima bertepatan dengan maksima, dan minima bertepatan dengan minima. Ini menerangkan pengkuantitian tenaga atom, iaitu, kehadiran orbit yang ditentukan dengan ketat di dalamnya, di mana elektron boleh wujud.
Kuda nano sfera dalam vakum
Walau bagaimanapun, sistem sebenar adalah sangat kompleks. Mematuhi logik yang diterangkan di atas, seseorang masih boleh memahami sistem orbit elektron dalam hidrogen dan helium. Walau bagaimanapun, pengiraan yang lebih rumit sudah diperlukan. Untuk mempelajari cara memahaminya, pelajar moden mengkaji pengkuantitian tenaga zarah dalam telaga berpotensi. Sebagai permulaan, sebuah perigi berbentuk ideal dan satu model elektron dipilih. Bagi mereka, mereka menyelesaikan persamaan Schrödinger, mencari tahap tenaga di mana elektron boleh berada. Selepas itu, mereka belajar mencari kebergantungan dengan memperkenalkan lebih banyak pembolehubah: lebar dan kedalaman telaga, tenaga dan kekerapan elektron kehilangan kepastian mereka, menambah kerumitan kepada persamaan. Selanjutnyabentuk lubang berubah (contohnya, ia menjadi persegi atau bergerigi dalam profil, tepinya kehilangan simetrinya), zarah asas hipotesis dengan ciri-ciri tertentu diambil. Dan barulah mereka belajar menyelesaikan masalah yang melibatkan pengkuantitian tenaga sinaran atom sebenar dan sistem yang lebih kompleks.
Momentum, momentum sudut
Walau bagaimanapun, tahap tenaga, katakan, elektron ialah kuantiti yang lebih kurang boleh difahami. Satu cara atau yang lain, semua orang membayangkan bahawa tenaga yang lebih tinggi dari bateri pemanasan pusat sepadan dengan suhu yang lebih tinggi di apartmen. Sehubungan itu, kuantisasi tenaga masih boleh dibayangkan secara spekulatif. Terdapat juga konsep dalam fizik yang sukar untuk difahami secara intuitif. Dalam makrokosmos, momentum ialah hasil darab halaju dan jisim (jangan lupa bahawa halaju, seperti momentum, ialah kuantiti vektor, iaitu, ia bergantung pada arah). Berkat momentum yang jelas bahawa batu bersaiz sederhana yang terbang perlahan hanya akan meninggalkan lebam jika terkena seseorang, manakala peluru kecil yang dilepaskan dengan kelajuan tinggi akan menembusi badan melalui dan melalui. Dalam mikrokosmos, momentum adalah kuantiti yang mencirikan sambungan zarah dengan ruang sekeliling, serta keupayaannya untuk bergerak dan berinteraksi dengan zarah lain. Yang terakhir secara langsung bergantung kepada tenaga. Oleh itu, menjadi jelas bahawa pengkuantitian tenaga dan momentum zarah mesti saling berkaitan. Selain itu, pemalar h, yang menandakan bahagian terkecil yang mungkin bagi fenomena fizik dan menunjukkan diskret kuantiti, termasuk dalam formula dantenaga dan momentum zarah dalam dunia nano. Tetapi ada konsep yang lebih jauh daripada kesedaran intuitif - momen dorongan. Ia merujuk kepada badan berputar dan menunjukkan jisim dan dengan halaju sudut berputar. Ingat bahawa halaju sudut menunjukkan jumlah putaran per unit masa. Momentum sudut juga dapat memberitahu cara bahan badan berputar diagihkan: objek dengan jisim yang sama, tetapi tertumpu berhampiran paksi putaran atau di pinggir, akan mempunyai momentum sudut yang berbeza. Seperti yang pembaca mungkin sudah meneka, dalam dunia atom, tenaga momentum sudut dikuantisasi.
Kuantum dan laser
Pengaruh penemuan diskret tenaga dan kuantiti lain adalah jelas. Kajian terperinci tentang dunia adalah mungkin hanya terima kasih kepada kuantum. Kaedah moden untuk mengkaji bahan, penggunaan pelbagai bahan, dan juga sains penciptaan mereka adalah kesinambungan semula jadi untuk memahami apa itu kuantisasi tenaga. Prinsip operasi dan penggunaan laser tidak terkecuali. Secara umum, laser terdiri daripada tiga elemen utama: cecair kerja, mengepam dan mencerminkan cermin. Bendalir kerja dipilih sedemikian rupa sehingga dua tahap yang agak rapat untuk elektron wujud di dalamnya. Kriteria yang paling penting untuk tahap ini ialah jangka hayat elektron pada mereka. Iaitu, berapa lama elektron dapat bertahan dalam keadaan tertentu sebelum bergerak ke kedudukan yang lebih rendah dan lebih stabil. Daripada kedua-dua peringkat, yang atas sepatutnya lebih lama hidup. Kemudian mengepam (selalunya dengan lampu konvensional, kadang-kadang dengan lampu inframerah) memberikan elektrontenaga yang cukup untuk mereka semua berkumpul di peringkat tertinggi tenaga dan terkumpul di sana. Ini dipanggil populasi peringkat songsang. Selanjutnya, beberapa satu elektron melepasi keadaan yang lebih rendah dan lebih stabil dengan pancaran foton, yang menyebabkan pecahan semua elektron ke bawah. Keistimewaan proses ini ialah semua foton yang terhasil mempunyai panjang gelombang yang sama dan koheren. Walau bagaimanapun, badan kerja, sebagai peraturan, agak besar, dan aliran dijana di dalamnya, diarahkan ke arah yang berbeza. Peranan cermin pemantul adalah untuk menapis hanya aliran foton yang diarahkan ke satu arah. Akibatnya, keluaran adalah pancaran sengit sempit gelombang koheren dengan panjang gelombang yang sama. Pada mulanya, ini dianggap mungkin hanya dalam keadaan pepejal. Laser pertama mempunyai delima buatan sebagai medium kerja. Kini terdapat laser dari semua jenis dan jenis - pada cecair, gas, dan juga pada tindak balas kimia. Seperti yang pembaca lihat, peranan utama dalam proses ini dimainkan oleh penyerapan dan pelepasan cahaya oleh atom. Dalam kes ini, pengkuantitian tenaga hanyalah asas untuk menerangkan teori.
Cahaya dan elektron
Ingat bahawa peralihan elektron dalam atom dari satu orbit ke orbit lain disertai sama ada pelepasan atau penyerapan tenaga. Tenaga ini muncul dalam bentuk kuantum cahaya atau foton. Secara formal, foton adalah zarah, tetapi ia berbeza daripada penduduk dunia nano yang lain. Foton tidak mempunyai jisim, tetapi ia mempunyai momentum. Ini telah dibuktikan oleh saintis Rusia Lebedev pada tahun 1899, dengan jelas menunjukkan tekanan cahaya. Foton hanya wujud dalam gerakan dan kelajuannyasama dengan kelajuan cahaya. Ia adalah objek terpantas di alam semesta kita. Kelajuan cahaya (biasanya dilambangkan dengan bahasa Latin kecil "c") adalah kira-kira tiga ratus ribu kilometer sesaat. Sebagai contoh, saiz galaksi kita (bukan terbesar dari segi ruang) adalah kira-kira seratus ribu tahun cahaya. Berlanggar dengan jirim, foton memberikannya tenaga sepenuhnya, seolah-olah larut dalam kes ini. Tenaga foton yang dibebaskan atau diserap apabila elektron bergerak dari satu orbit ke orbit lain bergantung pada jarak antara orbit. Jika ia kecil, sinaran inframerah dengan tenaga rendah dipancarkan, jika ia besar, ultraviolet diperoleh.
X-ray dan sinaran gamma
Skala elektromagnet selepas ultraungu mengandungi sinar-X dan sinaran gamma. Secara umum, mereka bertindih dalam panjang gelombang, kekerapan dan tenaga dalam julat yang agak luas. Iaitu, terdapat foton sinar-X dengan panjang gelombang 5 picometer dan foton gamma dengan panjang gelombang yang sama. Mereka berbeza hanya dalam cara mereka diterima. Sinar-X berlaku dengan kehadiran elektron yang sangat pantas, dan sinaran gamma hanya diperoleh dalam proses pereputan dan pelakuran nukleus atom. X-ray dibahagikan kepada lembut (menggunakannya untuk menunjukkan melalui paru-paru dan tulang seseorang) dan keras (biasanya hanya diperlukan untuk tujuan industri atau penyelidikan). Jika anda mempercepatkan elektron dengan sangat kuat, dan kemudian menyahpecutkannya dengan mendadak (contohnya, dengan mengarahkannya ke dalam badan pepejal), maka ia akan memancarkan foton sinar-X. Apabila elektron tersebut berlanggar dengan jirim, atom sasaran pecahelektron dari kulit bawah. Dalam kes ini, elektron kulit atas mengambil tempatnya, juga memancarkan sinar-X semasa peralihan.
Kuanta gamma berlaku dalam kes lain. Nukleus atom, walaupun terdiri daripada banyak zarah asas, juga bersaiz kecil, yang bermaksud bahawa ia dicirikan oleh kuantisasi tenaga. Peralihan nukleus dari keadaan teruja ke keadaan yang lebih rendah disertai dengan pancaran sinar gamma. Sebarang tindak balas pereputan atau pelakuran nukleus berlaku, termasuk dengan kemunculan foton gamma.
Tindak balas nuklear
Sedikit lebih tinggi kami menyebut bahawa nukleus atom juga mematuhi undang-undang dunia kuantum. Tetapi terdapat bahan dalam alam semula jadi dengan nukleus yang begitu besar sehingga mereka menjadi tidak stabil. Mereka cenderung untuk memecahkan kepada komponen yang lebih kecil dan lebih stabil. Ini, seperti yang pembaca mungkin sudah meneka, termasuk, sebagai contoh, plutonium dan uranium. Apabila planet kita terbentuk daripada cakera protoplanet, ia mempunyai sejumlah bahan radioaktif di dalamnya. Lama kelamaan, mereka mereput, bertukar menjadi unsur kimia lain. Namun begitu, sejumlah uranium yang tidak reput telah bertahan hingga ke hari ini, dan dengan jumlahnya seseorang boleh menilai, sebagai contoh, umur Bumi. Bagi unsur kimia yang mempunyai radioaktiviti semula jadi, terdapat ciri seperti separuh hayat. Ini adalah tempoh masa di mana bilangan atom yang tinggal jenis ini akan dibelah dua. Separuh hayat plutonium, sebagai contoh, berlaku dalam dua puluh empat ribu tahun. Walau bagaimanapun, sebagai tambahan kepada radioaktiviti semula jadi, terdapat juga terpaksa. Apabila dihujani dengan zarah alfa berat atau neutron ringan, nukleus atom pecah. Dalam kes ini, tiga jenis sinaran mengion dibezakan: zarah alfa, zarah beta, sinar gamma. Pereputan beta menyebabkan cas nuklear berubah satu. Zarah alfa mengambil dua positron daripada nukleus. Sinaran gamma tidak mempunyai cas dan tidak dipesongkan oleh medan elektromagnet, tetapi ia mempunyai kuasa penembusan yang paling tinggi. Pengkuantitian tenaga berlaku dalam semua kes pereputan nuklear.
Perang dan Keamanan
Laser, sinar-x, kajian pepejal dan bintang - semua ini adalah aplikasi pengetahuan yang aman tentang quanta. Walau bagaimanapun, dunia kita penuh dengan ancaman, dan semua orang berusaha untuk melindungi diri mereka sendiri. Sains juga berfungsi untuk tujuan ketenteraan. Malah fenomena teori semata-mata seperti pengkuantitian tenaga telah dijaga dunia. Takrifan diskret mana-mana sinaran, sebagai contoh, membentuk asas senjata nuklear. Sudah tentu, terdapat hanya beberapa aplikasi pertempurannya - pembaca mungkin masih ingat Hiroshima dan Nagasaki. Semua sebab lain untuk menekan butang merah yang diidamkan adalah lebih kurang aman. Juga, sentiasa ada persoalan pencemaran radioaktif terhadap alam sekitar. Contohnya, separuh hayat plutonium, yang dinyatakan di atas, menjadikan landskap di mana unsur ini masuk tidak boleh digunakan untuk jangka masa yang sangat lama, hampir satu zaman geologi.
Air dan wayar
Mari kita kembali kepada penggunaan tindak balas nuklear secara aman. Kita bercakap, sudah tentu, tentang penjanaan elektrik melalui pembelahan nuklear. Prosesnya kelihatan seperti ini:
Di intiDalam reaktor, neutron bebas mula-mula muncul, dan kemudiannya mengenai unsur radioaktif (biasanya isotop uranium), yang mengalami pereputan alfa atau beta.
Untuk mengelakkan tindak balas ini daripada memasuki peringkat yang tidak terkawal, teras reaktor mengandungi apa yang dipanggil moderator. Sebagai peraturan, ini adalah rod grafit, yang menyerap neutron dengan sangat baik. Dengan melaraskan panjangnya, anda boleh memantau kadar tindak balas.
Akibatnya, satu elemen bertukar menjadi unsur lain, dan sejumlah besar tenaga dikeluarkan. Tenaga ini diserap oleh bekas yang diisi dengan apa yang dipanggil air berat (bukan hidrogen dalam molekul deuterium). Akibat sentuhan dengan teras reaktor, air ini sangat tercemar dengan produk pereputan radioaktif. Pelupusan air inilah yang menjadi masalah terbesar tenaga nuklear pada masa ini.
Yang kedua diletakkan di litar air pertama, yang ketiga diletakkan di yang kedua. Air litar ketiga sudah pun selamat digunakan, dan dialah yang memutarkan turbin, yang menjana elektrik.
Walaupun begitu banyak perantara antara teras penjanaan terus dan pengguna akhir (jangan lupa berpuluh-puluh kilometer wayar yang turut kehilangan kuasa), tindak balas ini memberikan kuasa yang luar biasa. Contohnya, satu loji tenaga nuklear boleh membekalkan elektrik ke seluruh kawasan dengan banyak industri.
