Ta članek govori o tem, kaj je kvantizacija energije in kakšen pomen ima ta pojav za sodobno znanost. Podana je zgodovina odkritja diskretnosti energije, pa tudi področja uporabe kvantizacije atomov.
Konec fizike
Ob koncu devetnajstega stoletja so se znanstveniki znašli pred dilemo: na takratni stopnji razvoja tehnologije so bili odkriti, opisani in preučeni vsi možni zakoni fizike. Učencem, ki so imeli visoko razvite sposobnosti na naravoslovnem področju, učitelji niso svetovali izbire fizike. Verjeli so, da v njej ni več mogoče postati slaven, obstajalo je le rutinsko delo za preučevanje majhnih manjših podrobnosti. To je bolj ustrezalo pozorni osebi kot nadarjenemu. Vendar je fotografija, ki je bila bolj zabavno odkritje, dala razlog za razmišljanje. Vse se je začelo s preprostimi nedoslednostmi. Za začetek se je izkazalo, da svetloba ni bila povsem neprekinjena: pod določenimi pogoji je goreči vodik pustil na fotografski plošči vrsto črt namesto ene same točke. Nadalje se je izkazalo, da imajo spektri helijaveč črt kot spektri vodika. Nato je bilo ugotovljeno, da se sled nekaterih zvezd razlikuje od drugih. In čista radovednost je raziskovalce prisilila, da so ročno postavljali eno izkušnjo za drugo v iskanju odgovorov na vprašanja. Niso razmišljali o komercialni uporabi svojih odkritij.
Planck in quantum
Na našo srečo je ta preboj v fiziki spremljal razvoj matematike. Ker se razlaga dogajanja ujema v neverjetno zapletene formule. Leta 1900 je Max Planck, ki je delal na teoriji sevanja črnega telesa, ugotovil, da je energija kvantizirana. Na kratko opišite pomen te izjave je precej preprosto. Vsak elementarni delec je lahko le v določenih stanjih. Če podamo grob model, potem lahko števec takih stanj prikaže številke 1, 3, 8, 13, 29, 138. In vse druge vrednosti med njimi so nedostopne. Razloge za to bomo razkrili nekoliko kasneje. Če pa se poglobite v zgodovino tega odkritja, je vredno omeniti, da je znanstvenik sam do konca svojega življenja smatral kvantizacijo energije le za priročen matematični trik, ki ni obdarjen z resnim fizičnim pomenom.
val in masa
Začetek dvajsetega stoletja je bil poln odkritij, povezanih s svetom elementarnih delcev. Toda velika skrivnost je bil naslednji paradoks: v nekaterih primerih so se delci obnašali kot predmeti z maso (in s tem tudi zagon), v nekaterih primerih pa kot val. Po dolgi in trmasti razpravi sem moral priti do neverjetnega zaključka: elektroni, protoni innevtroni imajo te lastnosti hkrati. Ta pojav so imenovali korpuskularno-valovni dualizem (v govoru ruskih znanstvenikov pred dvesto leti se je delec imenoval korpuskula). Tako je elektron določena masa, kot da bi bil razmazan v val določene frekvence. Elektron, ki se vrti okoli jedra atoma, neskončno prekriva svoje valove drug na drugega. Posledično le na določenih razdaljah od središča (ki so odvisne od valovne dolžine) se elektronski valovi, ki se vrtijo, med seboj ne izničijo. To se zgodi, ko se "glava" valovnega elektrona naloži na njegov "rep", maksimumi sovpadajo z maksimumi, minimumi pa z minimumi. To pojasnjuje kvantizacijo energije atoma, to je prisotnost strogo določenih orbit v njem, na katerih lahko obstaja elektron.
Sferični nanokonj v vakuumu
Vendar pa so pravi sistemi neverjetno zapleteni. V skladu z zgoraj opisano logiko lahko še vedno razumemo sistem orbit elektronov v vodiku in heliju. Vendar pa so že potrebni nadaljnji zapleteni izračuni. Da bi se naučili, kako jih razumeti, sodobni študenti preučujejo kvantizacijo energije delcev v potencialni vrtini. Za začetek izberemo idealno oblikovano vrtino in en sam model elektrona. Zanje rešijo Schrödingerjevo enačbo, poiščejo energijske ravni, na katerih je lahko elektron. Po tem se naučijo iskati odvisnosti z uvajanjem vedno več spremenljivk: širina in globina vodnjaka, energija in frekvenca elektrona izgubijo gotovost, kar dodaja zapletenost enačbam. Nadaljespremeni se oblika jame (na primer, postane kvadratna ali nazobčana v profilu, njeni robovi izgubijo simetrijo), vzamejo se hipotetični elementarni delci z določenimi lastnostmi. In šele nato se naučijo reševati probleme, ki vključujejo kvantizacijo energije sevanja resničnih atomov in še bolj zapletenih sistemov.
Moment, kotni moment
Vendar pa je energijska raven, recimo, elektrona, bolj ali manj razumljiva količina. Tako ali drugače si vsi predstavljajo, da višja energija baterij centralnega ogrevanja ustreza višji temperaturi v stanovanju. V skladu s tem si lahko kvantizacijo energije še vedno predstavljamo špekulativno. V fiziki obstajajo tudi pojmi, ki jih je težko intuitivno razumeti. V makrokozmosu je zagon produkt hitrosti in mase (ne pozabite, da je hitrost, tako kot zagon, vektorska količina, torej odvisna od smeri). Zahvaljujoč zagonu je jasno, da bo počasi leteči srednje velik kamen pustil modrico le, če zadene človeka, medtem ko bo majhna krogla, izstreljena z veliko hitrostjo, prebila telo skozi in skozi. V mikrokozmosu je zagon takšna količina, ki označuje povezavo delca z okoliškim prostorom, pa tudi njegovo sposobnost premikanja in interakcije z drugimi delci. Slednje je neposredno odvisno od energije. Tako postane jasno, da morata biti kvantizacija energije in zagona delca medsebojno povezana. Poleg tega je konstanta h, ki označuje najmanjši možni del fizikalnega pojava in kaže diskretnost količin, vključena v formulo inenergija in zagon delcev v nanosvetu. Obstaja pa koncept, ki je še bolj oddaljen od intuitivnega zavedanja - trenutek impulza. Nanaša se na vrteča se telesa in označuje, kakšna masa in s kakšno kotno hitrostjo se vrti. Spomnimo se, da kotna hitrost označuje količino vrtenja na enoto časa. Kotna količina lahko tudi pove, kako je razporejena snov vrtečega se telesa: predmeti z enako maso, vendar koncentrirani blizu osi vrtenja ali na obrobju, bodo imeli drugačen kotni moment. Kot bralec verjetno že ugane, je v svetu atoma energija kotne količine kvantizirana.
Kvantni in laser
Vpliv odkritja diskretnosti energije in drugih količin je očiten. Podrobna študija sveta je mogoča le zahvaljujoč kvantu. Sodobne metode preučevanja snovi, uporaba različnih materialov in celo znanost o njihovem ustvarjanju so naravno nadaljevanje razumevanja, kaj je kvantizacija energije. Načelo delovanja in uporaba laserja nista izjema. Na splošno je laser sestavljen iz treh glavnih elementov: delovne tekočine, črpanja in odsevnega ogledala. Delovna tekočina je izbrana tako, da v njej obstajata dve sorazmerno blizu ravni za elektrone. Najpomembnejši kriterij za te ravni je življenjska doba elektronov na njih. To pomeni, koliko časa lahko elektron zdrži v določenem stanju, preden se premakne v nižji in stabilnejši položaj. Od obeh nivojev bi morala biti zgornja daljša. Nato črpanje (pogosto z običajno svetilko, včasih z infrardečo sijalko) daje elektronedovolj energije, da se lahko vsi zberejo na najvišji ravni energije in tam naberejo. To se imenuje populacija inverzne ravni. Nadalje, en elektron preide v nižje in bolj stabilno stanje z emisijo fotona, kar povzroči razpad vseh elektronov navzdol. Posebnost tega procesa je, da imajo vsi nastali fotoni enako valovno dolžino in so koherentni. Vendar je delovno telo praviloma precej veliko in v njem nastajajo tokovi, usmerjeni v različne smeri. Vloga odsevnega zrcala je filtriranje samo tistih fotonskih tokov, ki so usmerjeni v eno smer. Posledično je izhod ozek intenziven žarek koherentnih valov enake valovne dolžine. Sprva je bilo to mogoče le v trdnem stanju. Prvi laser je imel kot delovni medij umetni rubin. Zdaj obstajajo laserji vseh vrst in vrst - na tekočine, pline in celo na kemične reakcije. Kot vidi bralec, ima glavno vlogo v tem procesu absorpcija in oddajanje svetlobe s strani atoma. V tem primeru je kvantizacija energije le osnova za opis teorije.
Svetloba in elektron
Ne pozabite, da prehod elektrona v atomu iz ene orbite v drugo spremlja bodisi oddajanje bodisi absorpcija energije. Ta energija se pojavi v obliki kvanta svetlobe ali fotona. Formalno je foton delec, vendar se razlikuje od drugih prebivalcev nanosveta. Foton nima mase, ima pa zagon. To je leta 1899 dokazal ruski znanstvenik Lebedev, ki je jasno pokazal pritisk svetlobe. Foton obstaja samo v gibanju in njegovi hitrostienako hitrosti svetlobe. Je najhitrejši možni objekt v našem vesolju. Hitrost svetlobe (standardno označena z majhnim latinskim "c") je približno tristo tisoč kilometrov na sekundo. Na primer, velikost naše galaksije (v vesoljskem smislu ni največja) je približno sto tisoč svetlobnih let. Ob trku s snovjo ji foton v celoti da svojo energijo, kot da bi se v tem primeru raztopil. Energija fotona, ki se sprosti ali absorbira, ko se elektron premika iz ene orbite v drugo, je odvisna od razdalje med orbitama. Če je majhen, se oddaja infrardeče sevanje z nizko energijo, če je veliko, dobimo ultravijolično.
rentgensko in gama sevanje
Elektromagnetna lestvica po ultravijoličnem sevanju vsebuje rentgensko in gama sevanje. Na splošno se prekrivajo po valovni dolžini, frekvenci in energiji v precej širokem razponu. To pomeni, da obstaja rentgenski foton z valovno dolžino 5 pikometrov in gama foton z enako valovno dolžino. Razlikujejo se le po načinu sprejemanja. Rentgenski žarki se pojavljajo v prisotnosti zelo hitrih elektronov, gama sevanje pa dobimo le v procesih razpadanja in zlivanja atomskih jeder. Rentgenski žarki so razdeljeni na mehke (uporabljajo jih za prikazovanje skozi pljuča in kosti osebe) in trde (običajno so potrebne samo za industrijske ali raziskovalne namene). Če elektron zelo močno pospešite in ga nato močno upočasnite (na primer tako, da ga usmerite v trdno telo), bo oddajal rentgenske fotone. Ko takšni elektroni trčijo v snov, tarčni atomi izbruhnejoelektroni iz spodnjih lupin. V tem primeru svoje mesto zavzamejo elektroni zgornjih lupin, ki med prehodom oddajajo tudi rentgenske žarke.
Gama kvanti se pojavljajo v drugih primerih. Jedra atomov, čeprav so sestavljena iz številnih elementarnih delcev, so tudi majhna, kar pomeni, da je zanje značilna energijska kvantizacija. Prehod jeder iz vzbujenega v nižje stanje natančno spremlja oddajanje gama žarkov. Vsaka reakcija razpada ali fuzije jeder se nadaljuje, vključno s pojavom gama fotonov.
jedrska reakcija
Malo višje smo omenili, da tudi atomska jedra spoštujejo zakone kvantnega sveta. Toda v naravi obstajajo snovi s tako velikimi jedri, da postanejo nestabilne. Nagnjeni so k razpadu na manjše in bolj stabilne komponente. Med te, kot bralec verjetno že ugiba, spadata na primer plutonij in uran. Ko je naš planet nastal iz protoplanetarnega diska, je imel v njem določeno količino radioaktivnih snovi. Sčasoma so razpadli in se spremenili v druge kemične elemente. A vseeno je določena količina nerazpadlega urana preživela do danes in po njegovi količini je mogoče soditi na primer o starosti Zemlje. Za kemične elemente, ki imajo naravno radioaktivnost, obstaja takšna značilnost, kot je razpolovna doba. To je časovno obdobje, v katerem se bo število preostalih atomov te vrste prepolovilo. Razpolovna doba plutonija se na primer pojavi v štiriindvajsetih tisoč letih. Vendar pa poleg naravne radioaktivnosti obstaja tudi prisilna. Ko so bombardirani s težkimi alfa delci ali lahkimi nevtroni, se jedra atomov razbijejo. V tem primeru ločimo tri vrste ionizirajočega sevanja: alfa delce, beta delce, gama žarke. Beta razpad povzroči, da se jedrski naboj spremeni za eno. Alfa delci vzamejo dva pozitrona iz jedra. Gama sevanje nima naboja in ga elektromagnetno polje ne odbija, ima pa največjo prodorno moč. Kvantizacija energije se pojavi v vseh primerih jedrskega razpada.
Vojna in mir
Laserji, rentgenski žarki, preučevanje trdnih teles in zvezd - vse to so miroljubne uporabe znanja o kvantih. Vendar je naš svet poln groženj in vsi se skušajo zaščititi. Znanost služi tudi vojaškim namenom. Celo tak čisto teoretični pojav, kot je kvantizacija energije, je bil postavljen na stražo sveta. Opredelitev diskretnosti katerega koli sevanja, na primer, je bila osnova jedrskega orožja. Seveda je le nekaj njegovih bojnih aplikacij - bralec se verjetno spomni Hirošime in Nagasakija. Vsi drugi razlogi za pritisk na želeni rdeči gumb so bili bolj ali manj mirni. Vedno se postavlja tudi vprašanje radioaktivne kontaminacije okolja. Na primer, razpolovna doba plutonija, ki je navedena zgoraj, naredi pokrajino, v katero ta element vstopi, neuporabno za zelo dolgo, skoraj geološko obdobje.
Voda in žice
Vrnimo se k miroljubni uporabi jedrskih reakcij. Govorimo seveda o nastajanju električne energije z jedrsko fisijo. Postopek izgleda takole:
V jedruV reaktorju se najprej pojavijo prosti nevtroni, nato pa zadenejo radioaktivni element (običajno izotop urana), ki je podvržen alfa ali beta razpadu.
Da bi preprečili, da bi ta reakcija prešla v nenadzorovano fazo, jedro reaktorja vsebuje tako imenovane moderatorje. Praviloma gre za grafitne palice, ki zelo dobro absorbirajo nevtrone. S prilagajanjem njihove dolžine lahko spremljate hitrost reakcije.
Posledično se en element spremeni v drugega in sprosti se neverjetna količina energije. To energijo absorbira posoda, napolnjena s tako imenovano težko vodo (namesto vodika v molekulah devterija). Zaradi stika z jedrom reaktorja je ta voda močno kontaminirana s produkti radioaktivnega razpada. Prav odlaganje te vode je trenutno največji problem jedrske energije.
Drugi je postavljen v prvi vodni krog, tretji je postavljen v drugi. Voda tretjega kroga je že varna za uporabo in ona je tista, ki vrti turbino, ki proizvaja elektriko.
Kljub tako velikemu številu posrednikov med neposredno generirajočimi jedri in končnim porabnikom (ne pozabimo na desetine kilometrov žic, ki prav tako izgubljajo moč), ta reakcija zagotavlja neverjetno moč. Na primer, ena jedrska elektrarna lahko oskrbuje z električno energijo celotno območje s številnimi industrijami.
