Ovaj članak govori o tome šta je kvantizacija energije i kakav značaj ovaj fenomen ima za modernu nauku. Dat je istorijat otkrića diskretnosti energije, kao i oblasti primene kvantizacije atoma.
Kraj fizike
Krajem devetnaestog veka naučnici su se suočili sa dilemom: na tadašnjem nivou razvoja tehnologije otkriveni su, opisani i proučavani svi mogući zakoni fizike. Učenicima koji su imali visoko razvijene sposobnosti u oblasti prirodnih nauka nastavnici nisu savjetovali da biraju fiziku. Vjerovali su da se u njemu više ne može postati slavan, već je postojao samo rutinski rad na proučavanju sitnih sitnijih detalja. Ovo je više odgovaralo pažljivoj osobi, nego nadarenoj. Međutim, fotografija, koja je bila više zabavnog otkrića, dala je povoda za razmišljanje. Sve je počelo jednostavnim nedosljednostima. Za početak, ispostavilo se da svjetlost nije u potpunosti kontinuirana: pod određenim uvjetima, goreći vodonik ostavlja niz linija na fotografskoj ploči umjesto jedne tačke. Dalje se pokazalo da spektri helijuma imajuviše linija od spektra vodonika. Tada se pokazalo da se trag nekih zvijezda razlikuje od drugih. A čista radoznalost 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 pratio je razvoj matematike. Zato što se objašnjenje onoga što se dešavalo uklapalo u neverovatno složene formule. 1900. godine Max Planck, radeći na teoriji zračenja crnog tijela, otkrio je da je energija kvantizirana. Ukratko opisati značenje ove izjave je prilično jednostavno. Bilo koja elementarna čestica može biti samo u nekim specifičnim stanjima. Ako damo grubi model, onda brojač takvih stanja može pokazati brojeve 1, 3, 8, 13, 29, 138. A sve ostale vrijednosti između njih su nedostupne. Razloge za to ćemo otkriti nešto kasnije. Međutim, ako se zadubite u istoriju ovog otkrića, vredi napomenuti da je sam naučnik, do kraja svog života, smatrao kvantizaciju energije samo zgodnim matematičkim trikom, koji nije obdaren ozbiljnim fizičkim značenjem.
Wave and Mass
Početak dvadesetog veka bio je pun otkrića vezanih za svet elementarnih čestica. Ali velika misterija bio je sljedeći paradoks: u nekim slučajevima čestice su se ponašale kao objekti s masom (i, prema tome, impulsom), au nekim slučajevima kao val. Nakon duge i tvrdoglave rasprave, morao sam doći do nevjerovatnog zaključka: elektroni, protoni ineutroni imaju ova svojstva u isto vrijeme. Ova pojava je nazvana korpuskularno-talasni dualizam (u govoru ruskih naučnika 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 jezgra atoma beskonačno postavlja svoje valove jedan na drugi. Shodno tome, samo na određenim udaljenostima od centra (koje zavise od talasne dužine) talasi elektrona, rotirajući, ne poništavaju jedan drugog. To se dešava kada se, kada se "glava" talasnog elektrona naloži na njegov "rep", maksimumi poklapaju sa maksimumima, a minimumi sa minimumima. Ovo objašnjava kvantizaciju energije atoma, odnosno prisustvo striktno definisanih orbita u njemu, na kojima može postojati elektron.
Sferični nanokonj u vakuumu
Međutim, pravi sistemi su neverovatno složeni. Poštujući gore opisanu logiku, još uvijek se može razumjeti sistem orbita elektrona u vodoniku i heliju. Međutim, već su potrebni daljnji složeni proračuni. Da bi naučili kako da ih razumiju, savremeni studenti proučavaju kvantizaciju energije čestica u potencijalnoj bušotini. Za početak, bira se idealno oblikovan bunar i jedan model elektrona. Za njih rješavaju Schrödingerovu jednačinu, pronalaze nivoe energije na kojima elektron može biti. Nakon toga uče da traže zavisnosti uvođenjem sve više i više varijabli: širina i dubina bunara, energija i frekvencija elektrona gube svoju sigurnost, dodajući složenost jednadžbi. Daljemijenja se oblik jame (na primjer, postaje kvadratan ili nazubljen u profilu, njegovi rubovi gube simetriju), uzimaju se hipotetičke elementarne čestice sa određenim karakteristikama. I tek tada uče da rješavaju probleme koji uključuju kvantizaciju energije zračenja stvarnih atoma i još složenijih sistema.
Moment, ugaoni moment
Međutim, nivo energije, recimo, elektrona je manje-više razumljiva veličina. Na ovaj ili onaj način, svi zamišljaju da veća energija baterija centralnog grijanja odgovara višoj temperaturi u stanu. Prema tome, kvantizacija energije se još uvijek može zamisliti spekulativno. Postoje i koncepti u fizici koje je teško intuitivno shvatiti. U makrokosmosu, impuls je proizvod brzine i mase (ne zaboravite da je brzina, kao i impuls, vektorska veličina, odnosno zavisi od smjera). Upravo zahvaljujući momentumu 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 mikrokosmosu, impuls je takva veličina koja karakterizira povezanost čestice s okolnim prostorom, kao i njenu sposobnost kretanja i interakcije s drugim česticama. Ovo posljednje direktno ovisi o energiji. Dakle, postaje jasno da kvantizacija energije i impulsa čestice moraju biti međusobno povezani. Štaviše, konstanta h, koja označava najmanji mogući dio fizičke pojave i pokazuje diskretnost veličina, uključena je u formulu ienergije i impulsa čestica u nanosvetu. Ali postoji koncept koji je još udaljeniji od intuitivne svijesti - trenutak impulsa. Odnosi se na rotirajuća tijela i označava koja masa i kojom ugaonom brzinom rotira. Podsjetimo da kutna brzina označava količinu rotacije u jedinici vremena. Ugaoni moment također može reći način na koji je supstanca rotirajućeg tijela raspoređena: objekti iste mase, ali koncentrirani blizu ose rotacije ili na periferiji, imat će drugačiji ugaoni moment. Kao što čitalac verovatno već nagađa, u svetu atoma, energija ugaonog momenta je kvantizovana.
Quantum and laser
Uticaj otkrića diskretnosti energije i drugih veličina je očigledan. Detaljno proučavanje svijeta moguće je samo zahvaljujući kvantu. Moderne metode proučavanja materije, upotreba različitih materijala, pa čak i nauka o njihovom stvaranju prirodni su nastavak razumijevanja što je kvantizacija energije. Princip rada i upotreba lasera nije izuzetak. Generalno, laser se sastoji od tri glavna elementa: radnog fluida, pumpe i reflektirajućeg ogledala. Radni fluid je odabran na način da u njemu postoje dva relativno bliska nivoa za elektrone. Najvažniji kriterijum za ove nivoe je životni vek elektrona na njima. To jest, koliko dugo elektron može izdržati u određenom stanju prije nego što se pomakne u niži i stabilniji položaj. Od ta dva nivoa, gornji bi trebao biti dugovječniji. Zatim pumpanje (često sa konvencionalnom lampom, ponekad sa infracrvenom lampom) daje elektronedovoljno energije da se svi skupe na najvišem nivou energije i tamo akumuliraju. Ovo se naziva populacija inverznog nivoa. Dalje, neki elektron prelazi u niže i stabilnije stanje uz emisiju fotona, što uzrokuje slom svih elektrona prema dolje. Posebnost ovog procesa je da svi dobijeni fotoni imaju istu talasnu dužinu i da su koherentni. Međutim, radno tijelo je u pravilu prilično veliko i u njemu se stvaraju tokovi usmjereni u različitim smjerovima. Uloga reflektirajućeg ogledala je da filtrira samo one tokove fotona koji su usmjereni u jednom smjeru. Kao rezultat, izlaz je uski intenzivan snop koherentnih talasa iste talasne dužine. U početku se to smatralo mogućim samo u čvrstom stanju. Prvi laser je imao umjetni rubin kao radni medij. Sada postoje laseri svih vrsta i tipova - na tečnosti, gasove, pa čak i na hemijske reakcije. Kao što čitalac vidi, glavnu ulogu u ovom procesu igra apsorpcija i emisija svetlosti od strane atoma. U ovom slučaju, kvantizacija energije je samo osnova za opisivanje teorije.
Svjetlo i elektron
Podsjetimo da je prijelaz elektrona u atomu iz jedne orbite u drugu praćen 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 nano svijeta. Foton nema masu, ali ima impuls. To je dokazao ruski naučnik Lebedev 1899. godine, jasno demonstrirajući pritisak svjetlosti. Foton postoji samo u kretanju i njegovoj brzinijednaka brzini svjetlosti. To je najbrži mogući objekt u našem svemiru. Brzina svjetlosti (standardno označena malim latinskim "c") je oko tri stotine hiljada kilometara u sekundi. Na primjer, veličina naše galaksije (nije najveća u svemirskom smislu) je oko sto hiljada svjetlosnih godina. U sudaru sa materijom, foton joj daje svoju energiju u potpunosti, kao da se u ovom slučaju rastvara. Energija fotona koja se oslobađa ili apsorbira kada se elektron kreće s jedne orbite na drugu ovisi o udaljenosti između orbita. Ako je mali, emituje se infracrveno zračenje niske energije, ako je veliko, dobija se ultraljubičasto.
Rentgensko i gama zračenje
Elektromagnetna vaga nakon ultraljubičastog sadrži rendgensko i gama zračenje. Generalno, oni se preklapaju u talasnoj dužini, frekvenciji i energiji u prilično širokom opsegu. Odnosno, postoji rendgenski foton sa talasnom dužinom od 5 pikometara i gama foton sa istom talasnom dužinom. Razlikuju se samo po načinu na koji su primljeni. X-zrake se javljaju u prisustvu vrlo brzih elektrona, a gama zračenje se dobija samo u procesima raspada i fuzije atomskih jezgara. Rendgen se dijeli na meki (koristeći ga za prikaz kroz pluća i kosti osobe) i čvrst (obično je potreban 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 emitovati rendgenske fotone. Kada se takvi elektroni sudare sa materijom, ciljni atomi izbijajuelektrona iz donjih ljuski. U ovom slučaju, elektroni gornjih ljuski zauzimaju njihovo mjesto, koji također emituju X-zrake tokom tranzicije.
Gama kvanti se javljaju u drugim slučajevima. Jezgra atoma, iako se sastoje od mnogo elementarnih čestica, takođe su male veličine, što znači da ih karakteriše kvantizacija energije. Prelazak jezgara iz pobuđenog u niže stanje upravo je praćen emisijom gama zraka. Svaka reakcija raspada ili fuzije jezgara se nastavlja, uključujući pojavu gama fotona.
Nuklearna reakcija
Malo više spomenuli smo da se i atomska jezgra pokoravaju zakonima kvantnog svijeta. Ali u prirodi postoje tvari s tako velikim jezgrima da postaju nestabilne. Sklone su raspadanju na manje i stabilnije komponente. To, kao što čitalac verovatno već nagađa, uključuje, na primer, plutonijum i uranijum. Kada je naša planeta nastala od protoplanetarnog diska, u sebi je imala određenu količinu radioaktivnih supstanci. Vremenom su se raspadali, pretvarajući se u druge hemijske elemente. Ali ipak je određena količina neraspadnutog uranijuma preživjela do danas, a po njegovoj količini može se suditi, na primjer, o starosti Zemlje. Za hemijske elemente koji imaju prirodnu radioaktivnost postoji takva karakteristika kao što je poluživot. Ovo je vremenski period tokom kojeg će se broj preostalih atoma ove vrste prepoloviti. Poluživot plutonijuma, na primjer, događa se u dvadeset četiri hiljade godina. Međutim, pored prirodne radioaktivnosti postoji i prisilna. Kada se bombarduju teškim alfa česticama ili lakim neutronima, jezgra atoma se raspadaju. U ovom slučaju razlikuju se tri vrste jonizujućeg zračenja: alfa čestice, beta čestice, gama zraci. Beta raspad uzrokuje promjenu nuklearnog naboja za jedan. Alfa čestice uzimaju dva pozitrona iz jezgra. Gama zračenje nema naboj i ne odbija se od elektromagnetnog polja, ali ima najveću prodornu moć. Kvantizacija energije se javlja u svim slučajevima nuklearnog raspada.
Rat i mir
Laseri, rendgenski zraci, proučavanje čvrstih tijela i zvijezda - sve su to mirne primjene znanja o kvantima. Međutim, naš svijet je pun prijetnji i svi se nastoje zaštititi. Nauka služi i 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, postoji samo nekoliko njegovih borbenih primjena - čitalac se vjerovatno sjeća Hirošime i Nagasakija. Svi ostali razlozi da pritisnete željeno crveno dugme bili su manje-više mirni. Također, uvijek se postavlja pitanje radioaktivne kontaminacije životne sredine. Na primjer, vrijeme poluraspada plutonijuma, koje je gore navedeno, čini krajolik u koji ovaj element ulazi neupotrebljivim tokom veoma dugog vremena, gotovo geološke epohe.
Voda i žice
Vratimo se na miroljubivu upotrebu nuklearnih reakcija. Govorimo, naravno, o proizvodnji električne energije nuklearnom fisijom. Proces izgleda ovako:
U jezgruU reaktoru se prvo pojavljuju slobodni neutroni, a zatim udaraju u radioaktivni element (obično izotop uranijuma), koji prolazi kroz alfa ili beta raspad.
Da bi se spriječilo da ova reakcija pređe u nekontroliranu fazu, jezgro reaktora sadrži takozvane moderatore. U pravilu se radi o grafitnim štapićima, koji vrlo dobro upijaju neutrone. Podešavanjem njihove dužine, možete pratiti brzinu reakcije.
Kao rezultat, jedan element se pretvara u drugi i oslobađa se nevjerovatna količina energije. Ovu energiju apsorbira posuda napunjena takozvanom teškom vodom (umjesto vodonika u molekulima deuterija). Kao rezultat kontakta sa jezgrom reaktora, ova voda je jako kontaminirana produktima radioaktivnog raspada. Upravo je odlaganje ove vode najveći problem nuklearne energije u ovom trenutku.
Drugi je postavljen u prvi vodeni krug, treći je postavljen u drugi. Voda trećeg kruga je već bezbedna za upotrebu, a ona je ta koja okreće turbinu koja proizvodi električnu energiju.
Uprkos tako velikom broju posrednika između jezgri koja direktno generiraju i krajnjeg potrošača (ne zaboravimo desetine kilometara žica koje također gube struju), ova reakcija pruža nevjerovatnu snagu. Na primjer, jedna nuklearna elektrana može opskrbljivati električnom energijom cijelo područje s mnogo industrija.
