Tässä artikkelissa kerrotaan, mitä energian kvantisointi on ja mikä merkitys tällä ilmiöllä on nykyaikaiselle tieteelle. Energian diskreettisyyden löytämisen historia on annettu sekä atomien kvantisoinnin sovellusalueet.
Fysiikan loppu
Yhdeksännentoista vuosisadan lopulla tiedemiehet kohtasivat dilemman: silloisella teknologian kehitystasolla kaikki mahdolliset fysiikan lait löydettiin, kuvailtiin ja tutkittiin. Opettajat eivät neuvoneet valitsemaan fysiikkaa oppilaita, joilla oli korkeasti kehittyneet luonnontieteiden kyvyt. He uskoivat, että siinä ei enää ollut mahdollista tulla kuuluisaksi, oli vain rutiinityötä pienten pienten yksityiskohtien tutkimiseksi. Tämä sopi paremmin huomaavaiselle henkilölle kuin lahjakkaalle. Valokuva, joka oli enemmänkin viihdyttävä löytö, antoi kuitenkin aihetta ajatella. Kaikki alkoi yksinkertaisista epäjohdonmukaisuuksista. Aluksi kävi ilmi, että valo ei ollut täysin jatkuvaa: tietyissä olosuhteissa vedyn palaminen jätti valokuvalevyyn sarjan viivoja yhden pisteen sijaan. Lisäksi kävi ilmi, että heliumin spektreillä olienemmän viivoja kuin vedyn spektrit. Sitten havaittiin, että joidenkin tähtien jälki on erilainen kuin toisten. Ja puhdas uteliaisuus pakotti tutkijat asettamaan manuaalisesti kokemukset toisensa jälkeen etsimään vastauksia kysymyksiin. He eivät ajatelleet löytöjensä kaupallista käyttöä.
Suunnittelu ja kvantti
Meille onneksi tähän fysiikan läpimurtoon liittyi matematiikan kehitys. Koska selitys tapahtuneesta sopii uskomattoman monimutkaisiin kaavoihin. Vuonna 1900 Max Planck, joka työskenteli mustan kappaleen säteilyn teorian parissa, havaitsi, että energia kvantisoidaan. Kuvaa lyhyesti tämän lausunnon merkitystä on melko yksinkertainen. Mikä tahansa alkuainehiukkanen voi olla vain tietyissä tiloissa. Jos annamme karkean mallin, tällaisten tilojen laskuri voi näyttää numerot 1, 3, 8, 13, 29, 138. Ja kaikki muut arvot niiden välillä ovat saavuttamattomissa. Syyt tähän paljastamme hieman myöhemmin. Jos kuitenkin syventyy tämän löydön historiaan, on syytä huomata, että tiedemies itse piti energian kvantisointia elämänsä loppuun asti vain kätevänä matemaattisena temppuna, jolla ei ollut vakavaa fyysistä merkitystä.
A alto ja Messu
1900-luvun alku oli täynnä alkuainehiukkasten maailmaan liittyviä löytöjä. Mutta suuri mysteeri oli seuraava paradoksi: joissakin tapauksissa hiukkaset käyttäytyivät kuin esineitä, joilla oli massa (ja vastaavasti liikemäärä), ja joissain tapauksissa kuin a alto. Pitkän ja itsepäisen keskustelun jälkeen minun piti tulla uskomattomaan johtopäätökseen: elektronit, protonit janeutroneilla on nämä ominaisuudet samanaikaisesti. Tätä ilmiötä kutsuttiin korpuskulaaristen a altojen dualismiksi (venäläisten tiedemiesten puheessa kaksisataa vuotta sitten hiukkasta kutsuttiin korpuskkeliksi). Siten elektroni on tietty massa, ikään kuin se olisi levinnyt tietyn taajuuden a altoon. Elektroni, joka pyörii atomin ytimen ympärillä, asettaa a altonsa loputtomasti päällekkäin. Näin ollen vain tietyillä etäisyyksillä keskustasta (jotka riippuvat aallonpituudesta) elektroniaallot, jotka pyörivät, eivät kumoa toisiaan. Tämä tapahtuu, kun a altoelektronin "pää" asetetaan sen "hännän" päälle, maksimit ovat samat maksimien kanssa ja minimit yhtenevät minimien kanssa. Tämä selittää atomin energian kvantisoinnin, eli tiukasti määriteltyjen kiertoratojen läsnäolon siinä, joilla elektroni voi esiintyä.
Pyöreä nanohevonen tyhjiössä
Todelliset järjestelmät ovat kuitenkin uskomattoman monimutkaisia. Yllä kuvattua logiikkaa noudattaen voidaan silti ymmärtää elektronien kiertoradat vedyssä ja heliumissa. Monimutkaisempia laskelmia tarvitaan kuitenkin jo nyt. Ymmärtääkseen niitä nykyajan opiskelijat tutkivat hiukkasenergian kvantisointia potentiaalisessa kaivossa. Aluksi valitaan ihanteellisen muotoinen kuoppa ja yksi mallielektroni. He ratkaisevat Schrödingerin yhtälön, löytävät energiatasot, joilla elektroni voi olla. Sen jälkeen he oppivat etsimään riippuvuuksia ottamalla käyttöön yhä enemmän muuttujia: kaivon leveys ja syvyys, elektronin energia ja taajuus menettävät varmuutensa, mikä lisää yhtälöiden monimutkaisuutta. Edelleenkuopan muoto muuttuu (esimerkiksi siitä tulee neliömäinen tai rosoinen profiilissa, sen reunat menettävät symmetriansa), otetaan hypoteettiset alkuainehiukkaset, joilla on tietyt ominaisuudet. Ja vasta sitten he oppivat ratkaisemaan ongelmia, joihin liittyy todellisten atomien ja vieläkin monimutkaisempien järjestelmien säteilyenergian kvantisointi.
Momentti, kulmamomentti
Kuitenkin esimerkiksi elektronin energiataso on enemmän tai vähemmän ymmärrettävä määrä. Tavalla tai toisella jokainen kuvittelee, että keskuslämmitysakkujen suurempi energia vastaa korkeampaa lämpötilaa asunnossa. Näin ollen energian kvantisointi voidaan edelleen kuvitella spekulatiivisesti. Fysiikassa on myös käsitteitä, joita on vaikea käsittää intuitiivisesti. Makrokosmuksessa liikemäärä on nopeuden ja massan tulo (älä unohda, että nopeus, kuten liikemäärä, on vektorisuure, eli se riippuu suunnasta). Vauhdin ansiosta on selvää, että hitaasti lentävä keskikokoinen kivi jättää mustelman vain osuessaan ihmiseen, kun taas suurella nopeudella ammuttu pieni luoti lävistää ruumiin läpi ja läpi. Mikrokosmuksessa liikemäärä on sellainen suure, joka luonnehtii hiukkasen yhteyttä ympäröivään tilaan sekä sen kykyä liikkua ja olla vuorovaikutuksessa muiden hiukkasten kanssa. Jälkimmäinen riippuu suoraan energiasta. Siten tulee selväksi, että hiukkasen energian ja liikemäärän kvantisoinnin on oltava yhteydessä toisiinsa. Lisäksi vakio h, joka ilmaisee fysikaalisen ilmiön pienintä mahdollista osaa ja osoittaa suureiden diskreettisyyden, sisältyy kaavaan jahiukkasten energia ja liikemäärä nanomaailmassa. Mutta on käsite, joka on vieläkin kauempana intuitiivisesta tietoisuudesta - impulssin hetki. Se viittaa pyöriviin kappaleisiin ja osoittaa, mikä massa ja millä kulmanopeudella pyörii. Muista, että kulmanopeus ilmaisee pyörimisen määrän aikayksikköä kohti. Kulmamomentti pystyy myös kertomaan, miten pyörivän kappaleen aine jakautuu: kappaleilla, joilla on sama massa, mutta jotka ovat keskittyneet lähellä pyörimisakselia tai kehälle, on erilainen liikemäärä. Kuten lukija luultavasti jo arvaa, atomin maailmassa kulmamomentin energia kvantisoidaan.
Kvantti ja laser
Energian ja muiden suureiden diskreettisyyden havaitsemisen vaikutus on ilmeinen. Yksityiskohtainen maailmantutkimus on mahdollista vain kvantin ansiosta. Nykyaikaiset menetelmät aineen tutkimiseksi, erilaisten materiaalien käyttö ja jopa niiden luomistiede ovat luonnollista jatkoa energiakvantisoinnin ymmärtämiselle. Toimintaperiaate ja laserin käyttö eivät ole poikkeus. Yleisesti ottaen laser koostuu kolmesta pääelementistä: työnesteestä, pumppaavasta ja heijastavasta peilistä. Työneste valitaan siten, että siinä on kaksi suhteellisen läheistä tasoa elektroneille. Tärkein kriteeri näille tasoille on niillä olevien elektronien elinikä. Eli kuinka kauan elektroni pystyy pysymään tietyssä tilassa ennen siirtymistään alempaan ja vakaampaan asentoon. Näistä kahdesta tasosta ylemmän tulisi olla pidempään elänyt. Sitten pumppaus (usein perinteisellä lampulla, joskus infrapunalampulla) antaa elektronejatarpeeksi energiaa, jotta he kaikki kerääntyvät energian huipputasolle ja kerääntyvät sinne. Tätä kutsutaan käänteisen tason populaatioksi. Lisäksi jokin elektroni siirtyy alempaan ja vakaampaan tilaan fotonin emission kanssa, mikä aiheuttaa kaikkien elektronien hajoamisen alaspäin. Tämän prosessin erikoisuus on, että kaikilla tuloksena olevilla fotoneilla on sama aallonpituus ja ne ovat koherentteja. Työkappale on kuitenkin pääsääntöisesti melko suuri, ja siinä syntyy virtauksia, jotka on suunnattu eri suuntiin. Heijastavan peilin tehtävänä on suodattaa pois vain ne fotonivirrat, jotka on suunnattu yhteen suuntaan. Tämän seurauksena ulostulo on kapea, intensiivinen saman aallonpituuden koherenttien a altojen säde. Aluksi tätä pidettiin mahdollisena vain kiinteässä tilassa. Ensimmäisessä laserissa työvälineenä oli keinotekoinen rubiini. Nyt on kaikenlaisia ja -tyyppejä lasereita - nesteisiin, kaasuihin ja jopa kemiallisiin reaktioihin. Kuten lukija näkee, tärkein rooli tässä prosessissa on atomin valon absorptio ja emissio. Tässä tapauksessa energian kvantisointi on vain teorian kuvauksen perusta.
Valo ja elektroni
Muista, että atomissa olevan elektronin siirtymiseen kiertorad alta toiselle liittyy joko energian emissio tai absorptio. Tämä energia esiintyy valokvantin tai fotonin muodossa. Muodollisesti fotoni on hiukkanen, mutta se eroaa muista nanomaailman asukkaista. Fotonilla ei ole massaa, mutta sillä on liikemäärä. Tämän todisti venäläinen tiedemies Lebedev vuonna 1899 osoittaen selvästi valon paineen. Fotoni on olemassa vain liikkeessä ja sen nopeudessayhtä suuri kuin valon nopeus. Se on nopein mahdollinen esine universumissamme. Valon nopeus (tavallisesti merkitty pienellä latinalaisella "c") on noin kolmesataa tuhatta kilometriä sekunnissa. Esimerkiksi galaksimme koko (ei avaruudessa mitattuna suurin) on noin satatuhatta valovuotta. Törmääessään aineen kanssa fotoni antaa sille energiansa kokonaan, ikään kuin liukeneessaan tässä tapauksessa. Fotonin energia, joka vapautuu tai absorboituu, kun elektroni siirtyy kiertorad alta toiselle, riippuu ratojen välisestä etäisyydestä. Jos se on pieni, säteilee matalaenergiaista infrapunasäteilyä, jos se on suurta, saadaan ultraviolettisäteilyä.
Röntgen- ja gammasäteily
Sähkömagneettinen asteikko ultraviolettisäteilyn jälkeen sisältää röntgen- ja gammasäteilyä. Yleensä ne menevät päällekkäin aallonpituuden, taajuuden ja energian suhteen melko laajalla alueella. Eli on röntgenfotoni, jonka aallonpituus on 5 pikometriä, ja gammafotoni, jolla on sama aallonpituus. Ne eroavat vain tavasta, jolla ne otetaan vastaan. Röntgensäteet tapahtuvat erittäin nopeiden elektronien läsnä ollessa, ja gammasäteilyä saadaan vain atomiytimien hajoamis- ja fuusioprosesseissa. Röntgenkuvaus jaetaan pehmeään (käytetään ihmisen keuhkojen ja luiden läpi näyttämiseen) ja kovaan (yleensä tarvitaan vain teollisiin tai tutkimustarkoituksiin). Jos kiihdyttää elektronia erittäin voimakkaasti ja sitten hidastat sitä jyrkästi (esimerkiksi ohjaamalla sen kiinteään kappaleeseen), se lähettää röntgenfotoneja. Kun tällaiset elektronit törmäävät aineen kanssa, kohdeatomit puhkeavatelektroneja alemmista kuorista. Tässä tapauksessa ylempien kuorien elektronit ottavat paikkansa ja lähettävät myös röntgensäteitä siirtymän aikana.
Gamma-kvantit esiintyvät muissa tapauksissa. Atomien ytimet, vaikka ne koostuvatkin monista alkuainehiukkasista, ovat myös kooltaan pieniä, mikä tarkoittaa, että niille on ominaista energian kvantisointi. Ytimen siirtymiseen virittyneestä tilasta alempaan tilaan liittyy tarkasti gammasäteiden emissio. Kaikki hajoamis- tai ytimien fuusioreaktiot etenevät, mukaan lukien gammafotonien ilmaantuminen.
Ydinreaktio
Hieman korkeammalla mainitsimme, että atomiytimet noudattavat myös kvanttimaailman lakeja. Mutta luonnossa on aineita, joissa on niin suuria ytimiä, että niistä tulee epästabiileja. Niillä on taipumus hajota pienempiin ja vakaampiin osiin. Näitä ovat, kuten lukija luultavasti jo arvaa, esimerkiksi plutonium ja uraani. Kun planeettamme muodostui protoplanetaarisesta kiekosta, siinä oli tietty määrä radioaktiivisia aineita. Ajan myötä ne hajosivat ja muuttuivat muiksi kemiallisiksi alkuaineiksi. Mutta silti, tietty määrä hajoamatonta uraania on säilynyt tähän päivään asti, ja sen määrästä voidaan arvioida esimerkiksi Maan ikää. Kemiallisilla alkuaineilla, joilla on luonnollista radioaktiivisuutta, on sellainen ominaisuus kuin puoliintumisaika. Tämä on ajanjakso, jonka aikana jäljellä olevien tämäntyyppisten atomien määrä puolittuu. Esimerkiksi plutoniumin puoliintumisaika on 24 tuhatta vuotta. Luonnollisen radioaktiivisuuden lisäksi on kuitenkin myös pakotettua. Kun atomiytimet pommitetaan raskailla alfahiukkasilla tai kevyillä neutroneilla, atomiytimet hajoavat. Tässä tapauksessa erotetaan kolme tyyppistä ionisoivaa säteilyä: alfa-hiukkaset, beeta-hiukkaset, gammasäteet. Beetahajoaminen saa ydinvarauksen muuttumaan yhdellä. Alfahiukkaset ottavat ytimestä kaksi positronia. Gammasäteilyllä ei ole varausta eikä sähkömagneettinen kenttä käännä sitä, mutta sillä on suurin läpäisykyky. Energian kvantisointi tapahtuu kaikissa ydinhajoamistapauksissa.
Sota ja rauha
Laserit, röntgensäteet, kiinteiden aineiden ja tähtien tutkimus – kaikki nämä ovat rauhanomaisia kvantteja koskevan tiedon sovelluksia. Maailmamme on kuitenkin täynnä uhkia, ja jokainen haluaa suojella itseään. Tiede palvelee myös sotilaallisia tarkoituksia. Jopa sellainen puhtaasti teoreettinen ilmiö kuin energian kvantisointi on asetettu maailman vartioon. Esimerkiksi minkä tahansa säteilyn diskreettisyyden määritelmä muodosti ydinaseiden perustan. Tietenkin sen taistelusovelluksia on vain muutama - lukija muistaa todennäköisesti Hiroshiman ja Nagasakin. Kaikki muut syyt halutun punaisen painikkeen painamiseen olivat enemmän tai vähemmän rauhanomaisia. Aina on myös kysymys ympäristön radioaktiivisesta saastumisesta. Esimerkiksi edellä mainittu plutoniumin puoliintumisaika tekee maisemasta, johon tämä alkuaine joutuu, käyttökelvottoman pitkäksi aikaa, melkein geologisen aikakauden.
Vesi ja johdot
Palataanpa ydinreaktioiden rauhanomaiseen käyttöön. Puhumme tietysti sähkön tuotannosta ydinfissiolla. Prosessi näyttää tältä:
YtimessäReaktorissa ilmaantuu ensin vapaita neutroneja ja sitten ne osuvat radioaktiiviseen alkuaineeseen (yleensä uraanin isotooppiin), joka käy läpi alfa- tai beetahajoamisen.
Jotta tämä reaktio ei menisi hallitsemattomaan vaiheeseen, reaktorin sydän sisältää ns. moderaattoreita. Yleensä nämä ovat grafiittisauvoja, jotka absorboivat neutroneja erittäin hyvin. Säätämällä niiden pituutta voit seurata reaktionopeutta.
Tämän seurauksena yksi elementti muuttuu toiseksi ja vapautuu uskomaton määrä energiaa. Tämän energian absorboi säiliö, joka on täytetty niin sanotulla raskaalla vedellä (deuteriummolekyylien vedyn sijaan). Reaktorin sydämen kanssa kosketuksen seurauksena tämä vesi on saastunut voimakkaasti radioaktiivisilla hajoamistuotteilla. Juuri tämän veden loppusijoitus on ydinenergian suurin ongelma tällä hetkellä.
Toinen sijoitetaan ensimmäiseen vesikiertoon ja kolmas toiseen. Kolmannen piirin vesi on jo turvallista käyttää, ja se on se, joka kääntää turbiinin, joka tuottaa sähköä.
Huolimatta niin suuresta määrästä välittäjiä suoraan tuottavien ytimien ja loppukuluttajan välillä (älkäämme unohtako kymmeniä kilometrejä johtoja, jotka myös menettävät tehoa), tämä reaktio antaa uskomatonta tehoa. Esimerkiksi yksi ydinvoimalaitos voi toimittaa sähköä koko alueelle, jolla on monia toimialoja.
