Denne artikel taler om, hvad energikvantisering er, og hvilken betydning dette fænomen har for moderne videnskab. Historien om opdagelsen af energiens diskrethed er givet, såvel som anvendelsesområderne for kvantisering af atomer.
End of Physics
I slutningen af det nittende århundrede stod videnskabsmænd over for et dilemma: På det daværende niveau af teknologisk udvikling blev alle mulige fysiklove opdaget, beskrevet og undersøgt. Elever, der havde højt udviklede evner inden for det naturvidenskabelige område, blev ikke rådet af lærere til at vælge fysik. De mente, at det ikke længere var muligt at blive berømt i det, der var kun rutinearbejde med at studere små mindre detaljer. Dette var mere egnet til en opmærksom person, snarere end en begavet. Billedet, som mere var en underholdende opdagelse, gav dog anledning til eftertanke. Det hele startede med simple uoverensstemmelser. Til at begynde med viste det sig, at lyset ikke var helt kontinuerligt: under visse forhold efterlod brændende brint en række linjer på den fotografiske plade i stedet for en enkelt plet. Yderligere viste det sig, at heliums spektre havdeflere linjer end brintspektrene. Så blev det konstateret, at sporet af nogle stjerner er anderledes end andre. Og ren nysgerrighed tvang forskerne til manuelt at sætte den ene oplevelse efter den anden på jagt efter svar på spørgsmål. De tænkte ikke på den kommercielle anvendelse af deres opdagelser.
Planck og kvante
Heldigvis for os blev dette gennembrud i fysik ledsaget af udviklingen af matematik. Fordi forklaringen på, hvad der skete, passede ind i utroligt komplekse formler. I 1900 fandt Max Planck, der arbejdede på teorien om sort kropsstråling, ud af, at energi er kvantiseret. Beskriv kort betydningen af denne erklæring er ret enkel. Enhver elementær partikel kan kun være i nogle specifikke tilstande. Hvis vi giver en grov model, kan tælleren for sådanne tilstande vise tallene 1, 3, 8, 13, 29, 138. Og alle andre værdier mellem dem er utilgængelige. Vi vil afsløre årsagerne til dette lidt senere. Men hvis du dykker ned i historien om denne opdagelse, er det værd at bemærke, at videnskabsmanden selv indtil slutningen af sit liv anså energikvantisering for kun at være et praktisk matematisk trick, ikke udstyret med seriøs fysisk betydning.
Bølge og masse
Begyndelsen af det tyvende århundrede var fuld af opdagelser relateret til elementarpartiklernes verden. Men det store mysterium var følgende paradoks: i nogle tilfælde opførte partiklerne sig som objekter med masse (og følgelig momentum) og i nogle tilfælde som en bølge. Efter lang og stædig debat måtte jeg komme til en utrolig konklusion: elektroner, protoner ogneutroner har disse egenskaber på samme tid. Dette fænomen blev kaldt korpuskulær bølgedualisme (i russiske videnskabsmænds tale for to hundrede år siden blev en partikel kaldt en korpuskel). En elektron er således en vis masse, som om den var smurt ind i en bølge med en bestemt frekvens. En elektron, der kredser om kernen af et atom, lægger sine bølger uendeligt oven på hinanden. Følgelig er det kun i visse afstande fra centrum (som afhænger af bølgelængden), at elektronbølgerne, der roterer, ikke ophæver hinanden. Dette sker, når, når "hovedet" af en bølgeelektron er overlejret på dens "hale", falder maksima sammen med maksima, og minima falder sammen med minima. Dette forklarer kvantiseringen af et atoms energi, det vil sige tilstedeværelsen af strengt definerede baner i det, hvorpå en elektron kan eksistere.
Sfærisk nanohest i vakuum
Men rigtige systemer er utroligt komplekse. Ved at adlyde den ovenfor beskrevne logik kan man stadig forstå systemet af kredsløb af elektroner i brint og helium. Der er dog allerede behov for yderligere komplekse beregninger. For at lære at forstå dem, studerer moderne studerende kvantiseringen af partikelenergi i en potentiel brønd. Til at begynde med vælges en ideelt formet brønd og en enkelt modelelektron. For dem løser de Schrödinger-ligningen, finder de energiniveauer, hvor elektronen kan være. Derefter lærer de at lede efter afhængigheder ved at introducere flere og flere variable: brøndens bredde og dybde, elektronens energi og frekvens mister deres sikkerhed, hvilket tilføjer kompleksitet til ligningerne. Yderligereformen på pit ændres (for eksempel bliver den firkantet eller takket i profil, dens kanter mister deres symmetri), hypotetiske elementarpartikler med specificerede karakteristika tages. Og først da lærer de at løse problemer, der involverer kvantisering af strålingsenergien fra rigtige atomer og endnu mere komplekse systemer.
Momentum, vinkelmomentum
Men energiniveauet af f.eks. en elektron er en mere eller mindre forståelig størrelse. På den ene eller anden måde forestiller alle sig, at centralvarmebatteriernes højere energi svarer til en højere temperatur i lejligheden. Kvantiseringen af energi kan derfor stadig forestilles spekulativt. Der er også begreber i fysik, som er svære at forstå intuitivt. I makrokosmos er momentum produktet af hastighed og masse (glem ikke, at hastighed, ligesom momentum, er en vektorstørrelse, det vil sige, den afhænger af retning). Det er takket være fremdriften, at det er tydeligt, at en langsomt flyvende mellemstor sten kun vil efterlade et blåt mærke, hvis den rammer en person, mens en lille kugle affyret med stor fart vil trænge igennem kroppen. I mikrokosmos er momentum en sådan størrelse, der karakteriserer en partikels forbindelse med det omgivende rum, såvel som dens evne til at bevæge sig og interagere med andre partikler. Sidstnævnte afhænger direkte af energien. Således bliver det klart, at kvantiseringen af energi og momentum af en partikel skal hænge sammen. Desuden er konstanten h, som angiver den mindst mulige del af et fysisk fænomen og viser diskretiteten af mængder, inkluderet i formlen ogenergi og momentum af partikler i nanoverdenen. Men der er et koncept, der er endnu mere fjernt fra intuitiv bevidsthed - impulsøjeblikket. Det refererer til roterende legemer og angiver hvilken masse og med hvilken vinkelhastighed der roterer. Husk, at vinkelhastigheden angiver mængden af rotation pr. tidsenhed. Vinkelmomentet er også i stand til at fortælle, hvordan stoffet i et roterende legeme er fordelt: genstande med samme masse, men koncentreret nær rotationsaksen eller på periferien, vil have et andet vinkelmomentum. Som læseren sikkert allerede gætter, i atomets verden, er energien af vinkelmomentet kvantificeret.
Quantum and laser
Indflydelsen af opdagelsen af diskret energi og andre mængder er indlysende. En detaljeret undersøgelse af verden er kun mulig takket være kvante. Moderne metoder til at studere stof, brugen af forskellige materialer og endda videnskaben om deres skabelse er en naturlig fortsættelse af forståelsen af, hvad energikvantisering er. Princippet om drift og brug af en laser er ingen undtagelse. Generelt består laseren af tre hovedelementer: arbejdsvæsken, pumpende og reflekterende spejl. Arbejdsvæsken er valgt på en sådan måde, at der findes to relativt tætte niveauer for elektroner i den. Det vigtigste kriterium for disse niveauer er levetiden for elektroner på dem. Det vil sige, hvor længe en elektron er i stand til at holde ud i en bestemt tilstand, før den bevæger sig til en lavere og mere stabil position. Af de to niveauer skal det øverste have længere levetid. Så giver pumpning (ofte med en konventionel lampe, nogle gange med en infrarød lampe) elektronernenok energi til, at de alle kan samles på det øverste energiniveau og akkumulere der. Dette kaldes befolkning på omvendt niveau. Yderligere går en elektron over i en lavere og mere stabil tilstand med emission af en foton, hvilket forårsager en nedbrydning af alle elektroner. Det særlige ved denne proces er, at alle de resulterende fotoner har samme bølgelængde og er sammenhængende. Imidlertid er arbejdslegemet som regel ret stort, og der genereres strømme i det, rettet i forskellige retninger. Det reflekterende spejls rolle er kun at bortfiltrere de fotonstrømme, der er rettet i én retning. Som et resultat er outputtet en smal intens stråle af kohærente bølger af samme bølgelængde. Først blev dette kun anset for muligt i en fast tilstand. Den første laser havde en kunstig rubin som et arbejdsmedium. Nu er der lasere af alle slags og typer - på væsker, gasser og endda på kemiske reaktioner. Som læseren ser, spilles hovedrollen i denne proces af atomets absorption og emission af lys. I dette tilfælde er energikvantisering kun grundlaget for at beskrive teorien.
Lys og elektron
Husk på, at overgangen af en elektron i et atom fra en bane til en anden er ledsaget af enten emission eller absorption af energi. Denne energi optræder i form af et lyskvantum eller en foton. Formelt set er en foton en partikel, men den adskiller sig fra andre indbyggere i nanoverdenen. En foton har ingen masse, men den har momentum. Dette blev bevist af den russiske videnskabsmand Lebedev i 1899, hvilket klart demonstrerede lysets tryk. En foton eksisterer kun i bevægelse og dens hastighedlig med lysets hastighed. Det er det hurtigst mulige objekt i vores univers. Lysets hastighed (standard betegnet med det lille latinske "c") er omkring tre hundrede tusinde kilometer i sekundet. For eksempel er størrelsen af vores galakse (ikke den største i rumformål) omkring hundrede tusinde lysår. Ved at kollidere med stof giver fotonen den sin energi fuldstændigt, som om den opløses i dette tilfælde. Energien af en foton, der frigives eller absorberes, når en elektron bevæger sig fra en bane til en anden, afhænger af afstanden mellem kredsløbene. Hvis den er lille, udsendes infrarød stråling med lav energi, hvis den er stor, opnås ultraviolet.
Røntgen- og gammastråling
Den elektromagnetiske skala efter ultraviolet indeholder røntgen- og gammastråling. Generelt overlapper de i bølgelængde, frekvens og energi i et ret bredt område. Det vil sige, at der er en røntgenfoton med en bølgelængde på 5 picometer og en gammafoton med samme bølgelængde. De adskiller sig kun i den måde, de modtages på. Røntgenstråler forekommer i nærvær af meget hurtige elektroner, og gammastråling opnås kun i processerne med henfald og fusion af atomkerner. Røntgen er opdelt i blød (bruger den til at vise gennem en persons lunger og knogler) og hård (norm alt kun nødvendig til industrielle eller forskningsmæssige formål). Hvis du accelererer elektronen meget kraftigt, og derefter bremser den kraftigt (for eksempel ved at lede den ind i et fast legeme), så vil den udsende røntgenfotoner. Når sådanne elektroner kolliderer med stof, bryder målatomerne udelektroner fra lavere skaller. I dette tilfælde indtager elektronerne i de øvre skaller deres plads og udsender også røntgenstråler under overgangen.
Gamma-kvanter forekommer i andre tilfælde. Atomkernerne, selvom de består af mange elementarpartikler, er også små i størrelse, hvilket betyder, at de er karakteriseret ved energikvantisering. Overgangen af kerner fra en exciteret tilstand til en lavere tilstand er præcist ledsaget af emission af gammastråler. Enhver reaktion af henfald eller sammensmeltning af kerner fortsætter, herunder med fremkomsten af gammafotoner.
Atomreaktion
Lidt højere nævnte vi, at atomkerner også adlyder kvanteverdenens love. Men der er stoffer i naturen med så store kerner, at de bliver ustabile. De har en tendens til at nedbrydes i mindre og mere stabile komponenter. Disse, som læseren sikkert allerede gætter, omfatter for eksempel plutonium og uran. Da vores planet blev dannet af en protoplanetarisk skive, havde den en vis mængde radioaktive stoffer i sig. Med tiden forfaldt de og blev til andre kemiske grundstoffer. Men alligevel har en vis mængde uforfaldent uran overlevet den dag i dag, og ud fra dens mængde kan man for eksempel bedømme Jordens alder. For kemiske grundstoffer, der har naturlig radioaktivitet, er der sådan en egenskab som halveringstid. Dette er den periode, hvor antallet af resterende atomer af denne type vil blive halveret. Halveringstiden for plutonium forekommer for eksempel om fireogtyve tusinde år. Men udover naturlig radioaktivitet er der også tvunget. Når de bombarderes med tunge alfapartikler eller lette neutroner, bryder atomkernerne fra hinanden. I dette tilfælde skelnes der mellem tre typer ioniserende stråling: alfapartikler, beta-partikler, gammastråler. Beta-henfald får atomladningen til at ændre sig med én. Alfa-partikler tager to positroner fra kernen. Gammastråling har ingen ladning og afbøjes ikke af et elektromagnetisk felt, men den har den højeste gennemtrængende kraft. Energikvantisering forekommer i alle tilfælde af nuklear henfald.
Krig og Fred
Lasere, røntgenstråler, studiet af faste stoffer og stjerner - alt dette er fredelige anvendelser af viden om kvanter. Vores verden er dog fuld af trusler, og alle søger at beskytte sig selv. Videnskab tjener også militære formål. Selv et sådant rent teoretisk fænomen som kvantisering af energi er blevet sat på vagt over for verden. Definitionen af diskretheden af enhver stråling, for eksempel, dannede grundlaget for atomvåben. Selvfølgelig er der kun nogle få af dens kampapplikationer - læseren husker sikkert Hiroshima og Nagasaki. Alle andre grunde til at trykke på den eftertragtede røde knap var mere eller mindre fredelige. Der er også altid spørgsmålet om radioaktiv forurening af miljøet. For eksempel gør halveringstiden for plutonium, angivet ovenfor, det landskab, som dette grundstof kommer ind i, ubrugeligt i meget lang tid, nærmest en geologisk epoke.
Vand og ledninger
Lad os vende tilbage til den fredelige brug af nukleare reaktioner. Vi taler naturligvis om produktion af elektricitet ved nuklear fission. Processen ser sådan ud:
I kernenI reaktoren dukker først frie neutroner op, og derefter rammer de et radioaktivt grundstof (norm alt en isotop af uran), som gennemgår alfa- eller beta-henfald.
For at forhindre denne reaktion i at gå ind i et ukontrolleret stadium, indeholder reaktorkernen såkaldte moderatorer. Som regel er der tale om grafitstænger, som optager neutroner meget godt. Ved at justere deres længde kan du overvåge reaktionshastigheden.
Som et resultat bliver et element til et andet, og en utrolig mængde energi frigives. Denne energi absorberes af en beholder fyldt med såkaldt tungt vand (i stedet for brint i deuteriummolekyler). Som følge af kontakt med reaktorkernen er dette vand stærkt forurenet med radioaktive henfaldsprodukter. Det er bortskaffelsen af dette vand, der er det største problem med atomenergi i øjeblikket.
Den anden er placeret i det første vandkredsløb, den tredje er placeret i den anden. Vandet i det tredje kredsløb er allerede sikkert at bruge, og det er hende, der drejer turbinen, som genererer elektricitet.
På trods af et så stort antal mellemled mellem de direkte genererende kerner og slutforbrugeren (lad os ikke glemme de snesevis af kilometer ledninger, der også mister strøm), giver denne reaktion en utrolig kraft. For eksempel kan ét atomkraftværk levere elektricitet til et helt område med mange industrier.
