Kvantiseringen av energi av et elektron i et atom. En fremgangsmåte for å produsere energi i en reaktor med langsomme nøytroner

Denne artikkelen snakker om hva kvantisering av energi og betydningen av dette fenomenet er for moderne vitenskap. Det viser historien til oppdagelsen av discreteness av energi, og viste også omfanget av kvantiserte atomer.

Slutt på fysikk

I slutten av forrige århundre, dilemmaet møtt av forskere: den da eksisterende nivå av teknologi, alle mulige fysiske lover ble oppdaget, beskrevet og studert. Studenter som har hatt høyt utviklede evner i realfag, læreren anbefales ikke å velge fysikk. De mente at herliggjort det ikke lenger er mulig, det var bare en rutinemessig arbeid for studiet av små små detaljer. Det er mer egnet forsiktig mann, ikke begavet. Men det bildet som er mer underholdende var oppdagelsen ga anledning til å reflektere. Det hele startet med en enkel uoverensstemmelser. For å begynne, viste det seg at lyset er ikke helt faststoff i visse vilkår, brenning av hydrogen igjen på tallerkenen antall linjer i stedet for bare ett sted. Det ble videre funnet ut at spektra for helium hadde flere linjer enn hydrogen spektra. Da ble det oppdaget at sporet av én stjerne er forskjellig fra de andre. Og ren nysgjerrighet tvunget forskere manuelt sette en opplevelse etter hverandre på leting etter svar på spørsmål. På den kommersielle bruken av deres funn de ikke har tenkt på.

Planck og quantum

Heldigvis for oss, var dette gjennombruddet i fysikk sammen med utviklingen av matematikken. Fordi forklaring på hva som skjer passer inn i den utrolig komplisert formel. I 1900 Maks Plank, arbeider på teorien om stråling fra helt svart kropp, fant at energien er kvantisert. Kort fortelle oss om betydningen av denne uttalelsen er ganske enkel. Enhver elementærpartikkel kan bare være i noen bestemte vilkår. Hvis forårsake grov modell, vil telle viser slike tilstander av 1, 3, 8, 13, 29, 138. Alle de andre verdiene ikke er tilgjengelig mellom dem. Årsakene til dette vil vi avsløre senere. Men hvis du dykke inn i historien om dette funnet, er det verdt å merke seg at forskeren regnes som den energien kvantisering av slutten av livet er bare en praktisk matematisk triks, er ikke utstyrt med en alvorlig fysisk forstand.

Wave og vekt

Begynnelsen av det tjuende århundre ble florerer med funn knyttet til en verden av elementærpartikler. Men den største mysteriet er følgende paradoks: i noen tilfeller partiklene oppfører seg som objekter med masse (og dermed momentum), og noen - som en bølge. Etter lange og vedvarende konflikter var kommet til den konklusjon usannsynlig: elektroner, protoner og neutroner har disse egenskaper samtidig. Dette fenomenet kalles bølge-partikkel dualiteten (i talen til russiske forskere to hundre år siden corpuscle kalt partikkel). Således er en elektron en viss masse, som det ble smurt på en bølge av en bestemt frekvens. Elektronisk som roterer rundt en atomkjerne, uendelig pålegger bølger på hverandre. Følgelig er bare på visse avstander fra sentrum (som avhenger av bølgelengden), aktiveres elektronbølge roterer, ikke oppheve hverandre. Dette skjer da ved å innføre den "hode" av elektron bølgen på dets "hale" høyder sammenfaller med de maksima og minima - minimumskrav. Dette forklarer kvantiseringen av energien i atom, det vil si tilstedeværelsen av en veldefinert baner i hvilket elektronet kan eksistere.

Sfærisk nanokon in vacuo

Men virkelige systemer er utrolig kompleks. Adlyde logikk som er beskrevet ovenfor kan videre forstås elektron baner system i hydrogen og helium. Men fra da av behovet heller kompliserte beregninger. Å lære å forstå moderne elevene lære kvantisering energien til partikkelen i potensialet godt. For å begynne, velge den ideelle form av en grop og et enkelt elektron modell. For å løse disse Schrödingerligningen er energinivået ved hvilken et elektron kan være. Etter å lære å lete etter avhengigheter, å innføre flere variabler: bredden og dybden av brønnen, energien og frekvensen til den elektron mister sin bestemthet, tilsetning av kompleksitet ligninger. Videre grop formen er endret (for eksempel, blir det annet tannede profil, kantene mister sin symmetri), er tatt hypotetiske elementærpartikler med ønskede egenskaper. Og bare så lære å løse problemer der vises det strålende energi kvantisering av de virkelige atomer og enda mer komplekse systemer.

Impulse momentum

Imidlertid er graden av energi, for eksempel, en elektron - er mer eller mindre tydelig verdi. Alle, på en eller annen måte, men det synes at jo høyere energi av det sentrale varmebatteri, jo høyere temperatur i leiligheten. Følgelig er kvantisering av energi fortsatt mulig å forestille sinnet. Det er også begreper i fysikk som fornuftig intuitivt vanskelig. Fremdriften er produktet makrohastigheten til jord (ikke glemme at hastigheten og fremdrift av begge - vektorstørrelses, dvs. uavhengig av retningen). Det er grunn til impuls er det klart at den gjennomsnittlige verdien sakte flyr stein bare la et blåmerke, hvis du faller i en mann, deretter som en liten kule, avfyrt i høy hastighet, bryter gjennom kroppen. I mikro samme puls - dette er en slik mengde som karakteriserer forholdet av partikkelen med det omgivende rom, samt dens egenskap navigere og samhandle med andre partikler. Den sistnevnte er direkte avhengig av energi. Dermed blir det tydelig at kvantiseringen av energi og bevegelsesmengde partikkelen har til å bli forbundet med hverandre. Videre konstant h, som angir den lavest mulig andel av det fysiske fenomen og viser diskrete verdier som inngår i formelen, og energi og bevegelsesmengde for partiklene i nano. Men det er et konsept enda fjernere fra den intuitive bevissthet - momentum. Det refererer til de roterende legemene og en anordning for en masse og en roterende vinkelhastighet. Tilbakekalling, vinkelhastigheten indikerer størrelsen av rotasjons per tidsenhet. Vinkelmomentet er også i stand til å rapportere tildelingsmetode av det roterende legeme stoff: objekter med den samme masse, men sentrert om rotasjonsaksen eller på periferien vil ha ulike vinkelmoment. Som leseren sikkert allerede gjettet, i atom verden er energi kvantisering av dreieimpuls.

Quantum og Laser

Virkningen av åpningen av diskrete energi og andre mengder åpenbare. En detaljert studie av verden er bare mulig takket være quantum. Moderne metoder for å studere materialet, bruk av ulike materialer og med vitenskapen lage dem - en naturlig forlengelse av å forstå hva energi kvantisering. Prinsippet ved operasjonen og bruken av laseren - er ikke noe unntak. Vanligvis laseren består av tre grunnleggende elementer: arbeidsmediet, og en pumpe refleksjonsspeil. Arbeidsmediet er valgt slik at det finnes to relativt nær nivået for elektroner. Det viktigste kriteriet for disse nivåene er levetiden av elektroner på dem. Det er hvor mye elektronet er i stand til å overleve i en bestemt tilstand før gå inn i en lavere og stabil posisjon. Av de to nivåene bør være mer langlivet øvre. Deretter pumpe (ofte - en vanlig lyspære, noen ganger - infrarød) gir elektronene har nok energi til alle av dem samlet seg på øverste nivå av energi og akkumulert der. Dette kalles populasjons inversjon nivåer. Videre, noen ett elektron beveger seg i en nedre og stabil tilstand med utsendelsen av et foton, som fører til avbrudd av dun elektroner. Den trekk ved denne fremgangsmåten er at alle fotoner blir således oppnådde har samme bølgelengde og sammenhengende. Imidlertid er arbeidsvæsken vanligvis stor nok, og det genereres strømmer som er rettet i forskjellige retninger. Rollen til refleksjonsspeilet er å filtrere ut kun de strømmer av fotoner, som har den samme retning. Som et resultat er utgangssignalet en smal intens stråle av koherente bølger med samme bølgelengde. I begynnelsen var dette trodde var mulig bare i en solid. Den første laser var boule som arbeidsfluid. Nå er det lasere av alle slag og typer - væsker, gass, og til og med kjemiske reaksjoner. Som leseren kan se, er den viktigste rolle i denne prosessen spilt av absorpsjon og emisjon av lys av den atom. kvantisering av energien i dette tilfellet er bare grunnlag for å beskrive teorien.

Lys og elektron

Husk at overgangen av et elektron i et atom fra en bane til en annen er ledsaget av enten en emisjons eller absorpsjon av energi. Denne energien fremstår som et foton av lys, eller foton. Formelt er foton en partikkel, men på de andre innbyggerne i nano er forskjellig. Photon har ingen masse, men har momentum. Han beviste det ennå russisk forsker Lebedev i 1899, tydelig viser trykket av lys. Photon eksisterer bare i bevegelsen og dens hastighet er lysets hastighet. Dette er den raskeste mulig i vårt univers objekt. Lysets hastighet (typisk angitt ved en liten latinsk "c") er omtrent tre hundre tusen kilometer pr sekund. For eksempel, på størrelse med vår galakse (ikke veldig stor på plass standarder) er omtrent hundre tusen lysår. Konfrontert med saken, gir fotonet ham sin kraft helt, som om oppløst i dette. Fotonenergi, som frigjøres eller absorberes i overgangen av et elektron fra en bane til en annen avhenger av avstanden mellom banene. Hvis det er liten - skiller seg ut infrarøde stråler med lav energi, hvis stor - få ultrafiolett.

Røntgenstråler og gammastråler

Elektromagnetiske spekter etter ultrafiolett omfatter en røntgen og gammastråling. Vanligvis er de bølgelengden, frekvens og energi er overlappet i et forholdsvis vidt område. Det vil si, det er en X-ray foton med en bølgelengde på 5 picometer og gamma foton av den samme bølgelengde. De skiller seg bare i veien for forberedelse. Roentgen forekommer i nærvær av meget raske elektroner og gammastråling oppnås bare i prosesser av desintegrasjon og koalesens av kjerner. X-stråler er delt inn i mild (med hjelp av skinne menneskelige lunger og bein) og hard (vanligvis bare nødvendig for industrielle og forskningsformål). Hvis veldig sterkt akselerert elektroner, og deretter brått bremse ned sin (for eksempel sender en solid), det vil utstråle X-ray fotoner. Ved kollisjoner mellom disse elektroner med substansen av målet atomer, for elektroner trekkes ut fra den nedre skall. Elektronene øvre skjell tar sin plass, overgangen også sender ut røntgenstråler.

Gammastråling forekomme i andre tilfeller. Fra atomkjernene, selv om de består av mange elementærpartikler, kjennetegnes også av liten størrelse, og derfor har de en tendens til energi kvantisering. Overgangen av kjerner eksitert tilstand til en nedre, høyre, og ledsaget av utsendelse av gammastråler. Enhver sammenbrudd av reaksjonen eller kjernefysisk fusjon finner sted, blant annet fremveksten av gamma-fotoner.

kjernereaksjonen

Litt over, nevnte vi at atomkjerner er også underlagt lovene i kvante verden. Men det er naturlig forekommende stoffer slike store kjerner, de blir ustabile. De har en tendens til å bryte ned i mindre og mer robuste komponenter. Disse, som leseren har sannsynligvis gjettet, er, for eksempel, plutonium og uran. Når vår planet dannet av et proto disk, var det en viss mengde av radioaktive stoffer. Siden de forfalt over tid omdannes til andre kjemiske elementer. Ennå å ha overlevd en rekke nondecayed uran, og det beløpet kan bli dømt, for eksempel, i en alder av jorden. For kjemiske elementer som har naturlig radioaktivitet, det er en slik karakteristikk som en halv-levetid. Dette er den tidsperioden som det resterende antall atomer av denne art vil bli halvert. Halveringstiden for plutonium, for eksempel, er det en tjuefire tusen år. Men i tillegg til naturlig radioaktivitet, det er også tvunget. Hvis bombardere tunge alfa-partikkel eller nøytron lette atomkjerner, sprekker de. I dette tilfellet er det tre typer av ioniserende stråling: alfa-partikler, betapartikler, gammastråler. Betastråling av kjerner fører til en endring i ladeenheten. Alfa-partikler ta kjernen to positroner. Gammastråling ikke har noen ladning, og det elektromagnetiske felt ikke avbøyes, men har den høyeste gjennomtrengningskraft. kvantisering av energi skjer i alle tilfeller kjernen.

Krig og fred

Lasere, røntgen, en studie av faste stoffer og stjernene - alle fredelige anvendelser av kunnskap om kvanter. Men vår verden full av trusler, og alle ønsker å beskytte seg. Vitenskap tjener militære formål også. På enda en vakt sette verden rent teoretisk fenomen som energi kvantisering. Visse diskrete enhver stråling, for eksempel dannet ut fra kjernefysiske våpen. Selvfølgelig sine søknader påløpte kampenheter - trolig leseren vil huske Hiroshima og Nagasaki. Alle andre årsaker, trykk på den røde knappen høyt det var mer eller mindre fredelig. Som det er alltid spørsmålet om radioaktiv forurensning av miljøet. For eksempel er halveringstiden for plutonium angitt ovenfor gjør landskap der dette elementet blir uegnet for bruk i svært lang tid, nesten geologisk epoke.

Vann og ledninger

La oss gå tilbake til fredelig bruk av kjernefysiske reaksjoner. Dette, selvfølgelig, snakker om produksjon av elektrisitet ved hjelp av fisjon. Denne prosessen ser slik ut:

Kjernen av reaktoren innledningsvis som den frie nøytroner og deretter de treffer et radioaktivt element (typisk uran isotop), som gjennomgår en alfa- eller betastråling.

Til denne reaksjons ikke har passert i trinn ukontrollert, omfatter reaktorkjernen en såkalt forsinkere. Som en regel, er det laget av grafittstaver, som er meget godt absorberer nøytroner. Ved å justere deres lengde, er det mulig å overvåke reaksjonshastigheten.

Som et resultat er ett element omsatt til en annen, det utrolige energimengde frigjort. Denne energien blir absorbert av beholderen fylt med såkalt tung vann (i stedet for hydrogen, deuterium-molekyler). Som et resultat av kontakt med reaktorkjernen som vann tungt forurensede produkter fra radioaktiv nedbrytning. At resirkulering dette vannet er det største problemet av kjernekraft i øyeblikket.

I det første vannkretsen er plassert andre i den andre - tredjedel. Vannet i den tredje krets allerede er sikker i bruk, og at det viser turbinen, som produserer elektrisitet.

På tross av et slikt stort antall mellomledd mellom den energi som frigjøres direkte kjerner og sluttbrukeren (la oss ikke glemme titalls kilometer av vaiere, som også strømbrudd), gir denne reaksjon utrolig kraft. For eksempel, kan et kjernekraftverk levere kraft til hele området med en rekke forskjellige industrier.