Tinatalakay ng artikulong ito kung ano ang quantization ng enerhiya at kung ano ang kahalagahan ng phenomenon na ito para sa modernong agham. Ang kasaysayan ng pagtuklas ng discreteness ng enerhiya ay ibinigay, pati na rin ang mga lugar ng aplikasyon ng quantization ng mga atom.
Pagtatapos ng Physics
Sa pagtatapos ng ikalabinsiyam na siglo, ang mga siyentipiko ay nahaharap sa isang dilemma: sa antas noon ng pag-unlad ng teknolohiya, lahat ng posibleng batas ng pisika ay natuklasan, inilarawan at pinag-aralan. Ang mga mag-aaral na may mataas na mga kakayahan sa larangan ng natural na agham ay hindi pinayuhan ng mga guro na pumili ng pisika. Naniniwala sila na hindi na posible na sumikat dito, mayroon lamang nakagawiang gawain upang pag-aralan ang maliliit na maliliit na detalye. Ito ay mas angkop sa isang taong matulungin, sa halip na isang likas na matalino. Gayunpaman, ang larawan, na higit na isang nakakaaliw na pagtuklas, ay nagbigay ng dahilan upang mag-isip. Nagsimula ang lahat sa mga simpleng inconsistencies. Upang magsimula, lumabas na ang ilaw ay hindi ganap na tuluy-tuloy: sa ilalim ng ilang mga kundisyon, ang nasusunog na hydrogen ay nag-iwan ng isang serye ng mga linya sa photographic plate sa halip na isang solong lugar. Dagdag pa, nalaman na mayroon ang spectra ng heliummas maraming linya kaysa sa spectra ng hydrogen. Pagkatapos ay natagpuan na ang landas ng ilang mga bituin ay naiiba sa iba. At ang purong kuryusidad ang nagpilit sa mga mananaliksik na manu-manong maglagay ng sunod-sunod na karanasan sa paghahanap ng mga sagot sa mga tanong. Hindi nila inisip ang komersyal na aplikasyon ng kanilang mga natuklasan.
Planck and quantum
Sa kabutihang palad para sa amin, ang tagumpay na ito sa pisika ay sinamahan ng pag-unlad ng matematika. Dahil ang paliwanag ng kung ano ang nangyayari ay umaangkop sa hindi kapani-paniwalang kumplikadong mga formula. Noong 1900, nalaman ni Max Planck, na nagtatrabaho sa teorya ng radiation ng itim na katawan, na ang enerhiya ay quantize. Ilarawan nang maikli ang kahulugan ng pahayag na ito ay medyo simple. Anumang elementary particle ay maaari lamang sa ilang partikular na estado. Kung magbibigay kami ng isang magaspang na modelo, kung gayon ang counter ng naturang mga estado ay maaaring magpakita ng mga numero 1, 3, 8, 13, 29, 138. At lahat ng iba pang mga halaga sa pagitan ng mga ito ay hindi naa-access. Ipapakita namin ang mga dahilan para dito sa ibang pagkakataon. Gayunpaman, kung susuriin mo ang kasaysayan ng pagtuklas na ito, nararapat na tandaan na ang siyentipiko mismo, hanggang sa katapusan ng kanyang buhay, ay itinuturing na quantization ng enerhiya na isang maginhawang mathematical trick lamang, na hindi pinagkalooban ng seryosong pisikal na kahulugan.
Alon at Misa
Ang simula ng ikadalawampu siglo ay puno ng mga pagtuklas na nauugnay sa mundo ng elementarya na mga particle. Ngunit ang malaking misteryo ay ang sumusunod na kabalintunaan: sa ilang mga kaso, ang mga particle ay kumikilos tulad ng mga bagay na may masa (at, nang naaayon, momentum), at sa ilang mga kaso, tulad ng isang alon. Pagkatapos ng mahaba at matigas na debate, kinailangan kong makarating sa isang hindi kapani-paniwalang konklusyon: mga electron, proton atAng mga neutron ay may mga katangiang ito sa parehong oras. Ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay tinatawag na corpuscular-wave dualism (sa pagsasalita ng mga siyentipikong Ruso dalawang daang taon na ang nakalilipas, ang isang particle ay tinatawag na corpuscle). Kaya, ang isang elektron ay isang tiyak na masa, na parang smeared sa isang alon ng isang tiyak na dalas. Ang isang electron na umiikot sa paligid ng nucleus ng isang atom ay walang katapusang nagpapatong ng mga alon nito sa ibabaw ng bawat isa. Dahil dito, sa ilang mga distansya lamang mula sa sentro (na nakasalalay sa haba ng daluyong) ang mga alon ng elektron, na umiikot, ay hindi nagkansela sa isa't isa. Nangyayari ito kapag, kapag ang "ulo" ng wave electron ay nakapatong sa "buntot" nito, ang maxima ay tumutugma sa maxima, at ang minima ay tumutugma sa minima. Ipinapaliwanag nito ang quantization ng enerhiya ng isang atom, iyon ay, ang pagkakaroon ng mahigpit na tinukoy na mga orbit dito, kung saan maaaring umiral ang isang electron.
Spherical nanohorse sa vacuum
Gayunpaman, ang mga tunay na system ay hindi kapani-paniwalang kumplikado. Ang pagsunod sa lohika na inilarawan sa itaas, maaari pa ring maunawaan ng isa ang sistema ng mga orbit ng mga electron sa hydrogen at helium. Gayunpaman, ang mga karagdagang kumplikadong kalkulasyon ay kinakailangan na. Upang matutunan kung paano maunawaan ang mga ito, pinag-aaralan ng mga modernong estudyante ang quantization ng particle energy sa isang potensyal na balon. Upang magsimula sa, isang perpektong hugis na balon at isang solong modelo ng electron ay pinili. Para sa kanila, malulutas nila ang equation ng Schrödinger, hanapin ang mga antas ng enerhiya kung saan maaaring maging ang elektron. Pagkatapos nito, natututo silang maghanap ng mga dependency sa pamamagitan ng pagpapakilala ng higit at higit pang mga variable: ang lapad at lalim ng balon, ang enerhiya at dalas ng elektron ay nawawala ang kanilang katiyakan, na nagdaragdag ng pagiging kumplikado sa mga equation. Dagdag paang hugis ng hukay ay nagbabago (halimbawa, ito ay nagiging parisukat o tulis-tulis sa profile, ang mga gilid nito ay nawawalan ng simetrya), ang hypothetical na elementarya na mga particle na may tinukoy na mga katangian ay kinuha. At saka lang nila natutunang lutasin ang mga problemang may kinalaman sa quantization ng radiation energy ng mga totoong atom at mas kumplikadong mga sistema.
Momentum, angular momentum
Gayunpaman, ang antas ng enerhiya ng, sabihin nating, isang electron ay isang mas marami o hindi gaanong naiintindihan na dami. Sa isang paraan o iba pa, iniisip ng lahat na ang mas mataas na enerhiya ng mga baterya ng central heating ay tumutugma sa isang mas mataas na temperatura sa apartment. Alinsunod dito, ang quantization ng enerhiya ay maaari pa ring isipin ng speculatively. Mayroon ding mga konsepto sa pisika na mahirap intindihin nang intuitive. Sa macrocosm, ang momentum ay produkto ng velocity at mass (huwag kalimutan na ang velocity, tulad ng momentum, ay isang vector quantity, ibig sabihin, depende ito sa direksyon). Ito ay salamat sa momentum na malinaw na ang isang mabagal na lumilipad na medium-sized na bato ay mag-iiwan lamang ng isang pasa kung ito ay tumama sa isang tao, habang ang isang maliit na bala na pumutok sa napakabilis ay tumagos sa katawan sa pamamagitan at sa pamamagitan ng. Sa microcosm, ang momentum ay isang dami na nagpapakilala sa koneksyon ng isang particle sa nakapalibot na espasyo, pati na rin ang kakayahang lumipat at makipag-ugnayan sa iba pang mga particle. Ang huli ay direktang nakasalalay sa enerhiya. Kaya, nagiging malinaw na ang quantization ng enerhiya at momentum ng isang particle ay dapat na magkakaugnay. Bukod dito, ang pare-parehong h, na nagsasaad ng pinakamaliit na posibleng bahagi ng isang pisikal na kababalaghan at nagpapakita ng discreteness ng mga dami, ay kasama sa formula atenerhiya at momentum ng mga particle sa nanoworld. Ngunit mayroong isang konsepto na mas malayo sa intuitive na kamalayan - ang sandali ng salpok. Ito ay tumutukoy sa mga umiikot na katawan at nagpapahiwatig kung anong masa at kung anong angular na bilis ang umiikot. Alalahanin na ang angular velocity ay nagpapahiwatig ng dami ng pag-ikot sa bawat yunit ng oras. Nasasabi rin ng angular momentum kung paano ipinamahagi ang substance ng isang umiikot na katawan: ang mga bagay na may parehong masa, ngunit puro malapit sa axis ng pag-ikot o sa periphery, ay magkakaroon ng ibang angular na momentum. Tulad ng malamang na hulaan na ng mambabasa, sa mundo ng atom, ang enerhiya ng angular momentum ay binibilang.
Quantum at laser
Ang impluwensya ng pagtuklas ng discreteness ng enerhiya at iba pang dami ay kitang-kita. Ang isang detalyadong pag-aaral ng mundo ay posible lamang salamat sa quantum. Ang mga modernong pamamaraan ng pag-aaral ng bagay, ang paggamit ng iba't ibang materyales, at maging ang agham ng kanilang paglikha ay isang natural na pagpapatuloy ng pag-unawa kung ano ang quantization ng enerhiya. Ang prinsipyo ng pagpapatakbo at ang paggamit ng isang laser ay walang pagbubukod. Sa pangkalahatan, ang laser ay binubuo ng tatlong pangunahing elemento: ang working fluid, pumping at reflecting mirror. Ang gumaganang likido ay pinili sa paraang mayroong dalawang medyo malapit na antas para sa mga electron sa loob nito. Ang pinakamahalagang criterion para sa mga antas na ito ay ang buhay ng mga electron sa kanila. Iyon ay, kung gaano katagal ang isang electron ay maaaring manatili sa isang tiyak na estado bago lumipat sa isang mas mababa at mas matatag na posisyon. Sa dalawang antas, ang itaas ay dapat na mas matagal na nabubuhay. Pagkatapos pumping (madalas na may isang maginoo lamp, minsan sa isang infrared lamp) ay nagbibigay ng mga electronsapat na enerhiya para silang lahat ay magtipon sa pinakamataas na antas ng enerhiya at maipon doon. Ito ay tinatawag na inverse level population. Dagdag pa, ang ilang isang electron ay pumasa sa isang mas mababa at mas matatag na estado na may paglabas ng isang photon, na nagiging sanhi ng pagkasira ng lahat ng mga electron pababa. Ang kakaiba ng prosesong ito ay ang lahat ng mga nagresultang photon ay may parehong wavelength at magkakaugnay. Gayunpaman, ang nagtatrabaho na katawan, bilang isang panuntunan, ay medyo malaki, at ang mga daloy ay nabuo sa loob nito, na nakadirekta sa iba't ibang direksyon. Ang papel ng sumasalamin na salamin ay upang i-filter lamang ang mga photon stream na nakadirekta sa isang direksyon. Bilang resulta, ang output ay isang makitid na matinding sinag ng magkakaugnay na mga alon ng parehong haba ng daluyong. Sa una, ito ay itinuturing na posible lamang sa isang solidong estado. Ang unang laser ay mayroong isang artipisyal na ruby bilang isang gumaganang daluyan. Ngayon ay may mga laser ng lahat ng uri at uri - sa mga likido, gas, at maging sa mga reaksiyong kemikal. Tulad ng nakikita ng mambabasa, ang pangunahing papel sa prosesong ito ay nilalaro ng pagsipsip at paglabas ng liwanag ng atom. Sa kasong ito, ang dami ng enerhiya ay batayan lamang para sa paglalarawan ng teorya.
Ilaw at electron
Tandaan na ang paglipat ng isang electron sa isang atom mula sa isang orbit patungo sa isa pa ay sinamahan ng alinman sa paglabas o pagsipsip ng enerhiya. Lumilitaw ang enerhiya na ito sa anyo ng isang quantum ng liwanag o isang photon. Pormal, ang isang photon ay isang particle, ngunit ito ay naiiba sa iba pang mga naninirahan sa nanoworld. Ang isang photon ay walang masa, ngunit mayroon itong momentum. Ito ay pinatunayan ng Russian scientist na si Lebedev noong 1899, na malinaw na nagpapakita ng presyon ng liwanag. Ang isang photon ay umiiral lamang sa paggalaw at ang bilis nitokatumbas ng bilis ng liwanag. Ito ang pinakamabilis na posibleng bagay sa ating uniberso. Ang bilis ng liwanag (karaniwang tinutukoy ng maliit na Latin na "c") ay humigit-kumulang tatlong daang libong kilometro bawat segundo. Halimbawa, ang laki ng ating kalawakan (hindi ang pinakamalaki sa mga tuntunin sa espasyo) ay humigit-kumulang isang daang libong light years. Ang pagbangga sa bagay, ang photon ay nagbibigay ng enerhiya nito nang buo, na parang natutunaw sa kasong ito. Ang enerhiya ng isang photon na inilabas o hinihigop kapag ang isang elektron ay gumagalaw mula sa isang orbit patungo sa isa pa ay nakasalalay sa distansya sa pagitan ng mga orbit. Kung ito ay maliit, ang infrared radiation na may mababang enerhiya ay ibinubuga, kung ito ay malaki, ang ultraviolet ay makukuha.
X-ray at gamma radiation
Ang electromagnetic scale pagkatapos ng ultraviolet ay naglalaman ng X-ray at gamma radiation. Sa pangkalahatan, nagsasapawan sila sa wavelength, dalas at enerhiya sa medyo malawak na hanay. Iyon ay, mayroong isang X-ray photon na may wavelength na 5 picometers at isang gamma photon na may parehong wavelength. Nagkakaiba lamang sila sa paraan ng pagtanggap sa kanila. Ang X-ray ay nangyayari sa pagkakaroon ng napakabilis na mga electron, at ang gamma radiation ay nakukuha lamang sa mga proseso ng pagkabulok at pagsasanib ng atomic nuclei. Ang X-ray ay nahahati sa malambot (ginagamit ito upang ipakita sa pamamagitan ng mga baga at buto ng isang tao) at mahirap (karaniwan ay kailangan lamang para sa mga layuning pang-industriya o pananaliksik). Kung pinabilis mo ang electron nang napakalakas, at pagkatapos ay i-decelerate ito nang husto (halimbawa, sa pamamagitan ng pagdidirekta nito sa isang solidong katawan), pagkatapos ay maglalabas ito ng mga X-ray photon. Kapag ang gayong mga electron ay bumangga sa bagay, ang mga target na atomo ay lumalabasmga electron mula sa mas mababang mga shell. Sa kasong ito, pumapalit ang mga electron ng upper shell, na naglalabas din ng X-ray sa panahon ng paglipat.
Gamma quanta ay nangyayari sa ibang mga kaso. Ang nuclei ng mga atom, bagama't binubuo sila ng maraming elementarya na mga particle, ay maliit din sa laki, na nangangahulugan na ang mga ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng quantization ng enerhiya. Ang paglipat ng nuclei mula sa isang nasasabik na estado sa isang mas mababang estado ay tiyak na sinamahan ng paglabas ng gamma ray. Anumang reaksyon ng pagkabulok o pagsasanib ng nuclei ay nagpapatuloy, kasama ang paglitaw ng mga gamma photon.
Nuclear reaction
Medyo mas mataas ay binanggit namin na ang atomic nuclei ay sumusunod din sa mga batas ng quantum world. Ngunit may mga sangkap sa kalikasan na may napakalaking nuclei na nagiging hindi matatag. May posibilidad silang masira sa mas maliit at mas matatag na mga bahagi. Ang mga ito, bilang malamang na hulaan na ng mambabasa, ay kinabibilangan, halimbawa, plutonium at uranium. Noong nabuo ang ating planeta mula sa isang protoplanetary disk, mayroon itong tiyak na dami ng mga radioactive substance sa loob nito. Sa paglipas ng panahon, sila ay nabulok, na nagiging iba pang mga elemento ng kemikal. Ngunit gayon pa man, ang isang tiyak na halaga ng hindi nabubulok na uranium ay nakaligtas hanggang sa araw na ito, at sa dami nito ay maaaring hatulan ng isa, halimbawa, ang edad ng Earth. Para sa mga elemento ng kemikal na may natural na radyaktibidad, mayroong isang katangian bilang kalahating buhay. Ito ang yugto ng panahon kung saan ang bilang ng mga natitirang atom ng ganitong uri ay hahahatiin. Ang kalahating buhay ng plutonium, halimbawa, ay nangyayari sa dalawampu't apat na libong taon. Gayunpaman, bilang karagdagan sa natural na radyaktibidad, mayroon ding sapilitang. Kapag binomba ng mabibigat na mga particle ng alpha o light neutron, ang nuclei ng mga atom ay naghiwa-hiwalay. Sa kasong ito, tatlong uri ng ionizing radiation ang nakikilala: mga alpha particle, beta particle, gamma ray. Ang beta decay ay nagiging sanhi ng pagbabago ng nuclear charge ng isa. Ang mga particle ng alpha ay kumukuha ng dalawang positron mula sa nucleus. Ang gamma radiation ay walang singil at hindi pinalihis ng isang electromagnetic field, ngunit ito ang may pinakamataas na lakas ng pagtagos. Nagaganap ang quantization ng enerhiya sa lahat ng kaso ng nuclear decay.
Digmaan at Kapayapaan
Lasers, x-ray, ang pag-aaral ng solids at star - lahat ng ito ay mapayapang aplikasyon ng kaalaman tungkol sa quanta. Gayunpaman, ang ating mundo ay puno ng mga banta, at lahat ay naghahangad na protektahan ang kanilang sarili. Ang agham ay nagsisilbi rin sa mga layuning militar. Kahit na ang isang purong teoretikal na kababalaghan bilang ang quantization ng enerhiya ay inilagay sa bantay ng mundo. Ang kahulugan ng discreteness ng anumang radiation, halimbawa, ay naging batayan ng mga sandatang nuklear. Siyempre, iilan lamang sa mga application ng labanan nito - malamang na naaalala ng mambabasa ang Hiroshima at Nagasaki. Ang lahat ng iba pang mga dahilan upang pindutin ang coveted red button ay higit pa o mas mapayapa. Gayundin, palaging may tanong tungkol sa radioactive contamination ng kapaligiran. Halimbawa, ang kalahating buhay ng plutonium, na nakasaad sa itaas, ay ginagawang hindi magagamit ang tanawin kung saan pumapasok ang elementong ito sa napakahabang panahon, halos isang geological na panahon.
Tubig at mga wire
Balik tayo sa mapayapang paggamit ng mga reaksyong nuklear. Pinag-uusapan natin, siyempre, ang tungkol sa pagbuo ng kuryente sa pamamagitan ng nuclear fission. Mukhang ganito ang proseso:
Nasa kaibuturanSa reactor, unang lumalabas ang mga libreng neutron, at pagkatapos ay tumama ang mga ito sa isang radioactive na elemento (karaniwang isotope ng uranium), na sumasailalim sa alpha o beta decay.
Upang maiwasan ang reaksyong ito sa hindi makontrol na yugto, ang reactor core ay naglalaman ng tinatawag na mga moderator. Bilang isang patakaran, ito ay mga graphite rod, na sumisipsip ng mga neutron nang napakahusay. Sa pamamagitan ng pagsasaayos ng kanilang haba, masusubaybayan mo ang rate ng reaksyon.
Bilang resulta, ang isang elemento ay nagiging isa pa, at isang hindi kapani-paniwalang dami ng enerhiya ang inilabas. Ang enerhiya na ito ay hinihigop ng isang lalagyan na puno ng tinatawag na mabigat na tubig (sa halip na hydrogen sa mga molekula ng deuterium). Bilang resulta ng pakikipag-ugnay sa core ng reactor, ang tubig na ito ay labis na nahawahan ng mga radioactive decay na produkto. Ang pagtatapon ng tubig na ito ang pinakamalaking problema ng nuclear energy sa ngayon.
Ang pangalawa ay inilalagay sa unang circuit ng tubig, ang pangatlo ay inilalagay sa pangalawa. Ang tubig ng ikatlong circuit ay ligtas nang gamitin, at siya ang nagpapaikot ng turbine, na gumagawa ng kuryente.
Sa kabila ng napakaraming bilang ng mga tagapamagitan sa pagitan ng mga direktang bumubuo ng mga core at ng end consumer (huwag nating kalimutan ang sampu-sampung kilometro ng mga wire na nawawalan din ng kuryente), ang reaksyong ito ay nagbibigay ng hindi kapani-paniwalang kapangyarihan. Halimbawa, ang isang nuclear power plant ay makakapag-supply ng kuryente sa isang buong lugar na may maraming industriya.
