Cuantificarea energiei unui electron într-un atom. Metoda de obținere a energiei într-un reactor lent-neutron

Acest articol descrie ce este cuantificarea energiei și ce valoare are acest fenomen pentru știința modernă. Este prezentată istoria descoperirii discretității energiei și se demonstrează și domeniile de aplicare a cuantizării atomilor.

Sfârșitul fizicii

La sfârșitul secolului al XIX-lea, oamenii de știință s-au confruntat cu o dilemă: la nivelul actual de dezvoltare tehnologică, toate legile posibile ale fizicii au fost descoperite, descrise și studiate. Elevii care au avut o abilitate puternică în științele naturii, profesorii nu au fost sfătuiți să aleagă fizica. Ei credeau că nu mai era posibil să devină faimos în ea, doar munca de rutină privind studierea detaliilor minore minore a rămas. Această persoană mai potrivită este o persoană atentă, nu o persoană talentată. Cu toate acestea, fotografia, care a fost mai degrabă o descoperire distractivă, a dat motive să gândească. Totul a început cu inconsecvențe simple. În primul rând, sa dovedit că lumina nu este complet continuă: în anumite condiții, arderea de hidrogen a lăsat o serie de linii pe placa fotografică în loc de un singur loc. Sa clarificat în continuare că spectrele de heliu au mai multe linii decât spectrele hidrogenului. Apoi sa descoperit că piesa unor stele diferă de celelalte. Iar curiozitatea pură a făcut cercetătorii să pună manual o experiență după alta în căutarea răspunsurilor la întrebări. Ei nu s-au gândit la aplicarea comercială a descoperirilor lor.

Plank și Quantum

Din fericire pentru noi, această descoperire în fizică a fost însoțită de dezvoltarea matematicii. Deoarece explicația a ceea ce se întâmpla se potrivește în formule incredibil de complexe. În 1900, Max Planck, care lucra la teoria radiației corpului negru, a aflat că are loc cuantificarea energiei. Pentru a descrie pe scurt semnificația acestei afirmații este destul de simplă. Orice particulă elementară poate exista numai în anumite stări concrete. Dacă dăm un model dur, contorul acestor state poate afișa numerele 1, 3, 8, 13, 29, 138. Și toate celelalte valori între ele sunt inaccesibile. Motivele pentru aceasta vom dezvălui un pic mai târziu. Cu toate acestea, în cazul în care te arunca cu capul în povestea acestei descoperiri, este de remarcat faptul că omul de știință considerat cuantizarea energetică de la sfârșitul vieții este doar un truc matematic convenabil, nu este dotat cu un sentiment fizic serios.

Val și mase

Începutul secolului al XX-lea a fost plin de descoperiri legate de lumea particulelor elementare. Dar cel mai mare mister este următorul paradox: în unele cazuri, particulele se comportă ca niște obiecte cu masă (și, prin urmare, impuls), iar unii - ca un val. După argumente lungi și încăpățânate, era necesar să se ajungă la o concluzie incredibilă: electronii, protonii și neutronii posedă aceste proprietăți simultan. Acest fenomen a primit numele de dualism al undelor corpusulare (în vorbirea unor oameni de știință ruși acum două sute de ani, o particulă a fost numită corpuscul). Astfel, electronul este o anumită masă, deoarece a fost pătată într-un val de o anumită frecvență. Un electron care se rotește în jurul nucleului unui atom, își suprapune infinit valurile unii pe alții. În consecință, numai la anumite distanțe față de centru (care depind de lungimea de undă) ale undelor electronice, rotative, nu se sting reciproc. Acest lucru se întâmplă atunci când la impunerea „capul“ val de electroni pe sale maxime „coada“ coincid cu maximele și minimele - minime. Aceasta explică cuantificarea energiei atomului, adică prezența în el a unor orbite strict definite pe care poate exista un electron.

Sferice nanoconv în vid

Cu toate acestea, sistemele reale sunt incredibil de complexe. Respectând logica descrisă mai sus, se poate înțelege încă sistemul orbitelor de electroni în hidrogen și heliu. Cu toate acestea, sunt necesare calcule suplimentare complicate. Pentru a învăța cum să le înțeleagă, studenții moderni studiază cuantificarea energiei particulelor într-un potențial izvor. Pentru a începe, se aleg o formă ideală de groapă și un singur model de electroni. Pentru ei, rezolva ecuația Schrodinger, găsiți nivelurile de energie pe care poate fi localizat un electron. După ce a învățat să caute dependențe, să introducă tot mai multe variabile: lățimea și adâncimea sondei, energia și frecvența electronului își pierd siguranța, adăugând complexitate ecuațiilor. Mai mult, forma groapelor se schimbă (de exemplu, devine pătrată sau dentată în profil, marginile sale pierd simetrie), se iau particule elementare ipotetice cu caracteristici date. Și abia atunci învață să rezolve problemele în care apare cuantificarea energiei radiației a atomilor reali și a sistemelor și mai complexe.

Impuls, impuls unghiular

Cu toate acestea, nivelul energiei, să zicem, un electron este o valoare chiar mai mult sau mai puțin ușor de înțeles. Toate, într-un fel sau altul, dar imaginați-vă că energia mai mare a bateriilor de încălzire centrală corespunde unei temperaturi mai ridicate în apartament. În consecință, cuantificarea energiei poate fi imaginată. Există, de asemenea, astfel de concepte în fizică care sunt intuitiv greu de înțeles. Impulsul este produs viteza macro la sol (nu uitați că viteza și impulsul de ambele - magnitudine vector, adică independent de direcția). Aceasta se datorează impuls este clar că valoarea medie care zboară încet piatră lasă doar o vânătaie, dacă se încadrează într-un om, apoi ca un glonț mic, tras la viteză mare, sparge prin corp. În microcosmos, impulsul este o cantitate care caracterizează relația particulei cu spațiul înconjurător, precum și proprietatea de mișcare și interacțiune cu alte particule. Acesta din urmă depinde direct de energie. Astfel, devine clar că cuantificarea energiei particulelor și a impulsului trebuie să fie interdependente. Mai mult decât atât, h constant, ceea ce indică cea mai mică porțiune posibilă a fenomenului fizic și prezintă valori discrete incluse în formulă și energia și impulsul particulelor în nanoworld. Dar există un concept chiar mai departe de conștientizarea intuitivă - momentul impulsului. Se referă la corpurile rotative și indică cât de mult și la ce viteză unghiulară se rotește. Să reamintim, viteză unghiulară arată numărul de rotații pe unitate de timp. Momentul pulsului este de asemenea capabil să informeze despre metoda de distribuire a materiei corpului rotativ: obiecte cu aceeași masă, dar concentrate în jurul axei de rotație sau la periferie, vor avea un impuls unghiular diferit. Așa cum cititorul probabil a ghicit deja, în lumea atomului, energia momentului unghiular este cuantizată.

Cuantic și laser

Influența descoperirii discretății energiei și a altor cantități este evidentă. Un studiu detaliat al lumii este posibil numai printr-un cuantum. Metodele moderne de studiu a materiei, utilizarea diverselor materiale și chiar știința creației lor - o continuare naturală a înțelegerii a ceea ce este cuantificarea energiei. Principiul de funcționare și utilizare a laserului nu constituie o excepție. În general, laserul constă din trei elemente principale: un mediu de lucru, o pompă și un reflector de oglindă. Organismul de lucru este ales astfel încât să existe două niveluri relativ apropiate pentru electronii din acesta. Criteriul cel mai important pentru aceste nivele este durata de viață a electronilor pe ele. Adică, cât de mult poate supraviețui un electron într-o anumită stare înainte de a intra într-o poziție mai joasă și mai stabilă. Dintre cele două nivele, cea mai lungă ar trebui să fie una mai lungă. Apoi, pomparea (adesea - o lampă obișnuită, uneori - o lampă cu infraroșu) dă energia electronilor suficientă încât toți se adună la nivelul superior al energiei și se acumulează acolo. Aceasta se numește populația inversă a nivelurilor. Mai mult, un electron trece într-o stare mai joasă și mai stabilă, cu emisia unui foton, ceea ce provoacă descompunerea tuturor electronilor în jos. Particularitatea acestui proces este că toți fotonii care rezultă au aceeași lungime de undă și sunt coerenți. Cu toate acestea, mediul de lucru, de regulă, este destul de mare și fluxurile sunt generate în el, direcționate în direcții diferite. Rolul oglinzii reflectorului este de a filtra numai acele fluxuri de fotoni direcționate pe o parte. Ca urmare, la ieșire se obține un fascicul îngust intensiv de valuri coerente cu aceeași lungime de undă. La început acest lucru a fost considerat posibil doar într-un corp solid. Primul laser avea un rubin artificial ca mediu de lucru. Acum există lasere de toate tipurile și tipuri - pe lichide, gaze și chiar pe reacții chimice. Așa cum vede cititorul, rolul principal în acest proces este jucat de absorbția și emisia de lumină de către un atom. Cuantificarea energiei în acest caz este doar baza pentru descrierea teoriei.

Lumină și electron

Reamintim că trecerea unui electron într-un atom dintr-o orbită în alta este însoțită fie de emisie, fie de absorbție a energiei. Această energie apare ca un cuantum de lumină sau de un foton. Formal, un foton este o particulă, dar diferă de ceilalți locuitori ai nanoworld. Un foton nu are masa, dar are un impuls. Acest lucru a fost dovedit de omul de știință rus Lebedev în 1899, demonstrând în mod clar presiunea luminii. Un foton există numai în mișcare, iar viteza sa este egală cu viteza luminii. Acesta este cel mai rapid obiect posibil din universul nostru. Viteza luminii (denumită în mod obișnuit de un mic latin "c") este de aproximativ trei sute de mii de kilometri pe secundă. De exemplu, dimensiunea galaxiei noastre (nu cea mai mare după standardele spațiale) este de aproximativ o sută de mii de ani lumină. Față de o substanță, fotonul îi dă energia completă, de parcă se dizolvă în același timp. Energia unui foton, care este eliberată sau absorbită în timpul tranziției unui electron de la o orbită la alta, depinde de distanța dintre orbite. Dacă este mic, se eliberează radiații infraroșii cu energie redusă, dacă este obținută ultravioletă mare.

Raze X și radiații gamma

Scala electromagnetică după radiațiile ultraviolete conține raze X și raze gamma. În general, ele se suprapun în gama largă de lungimi de undă, frecvență și energie. Adică există un foton cu raze X cu o lungime de undă de 5 picometre și un foton gamma cu aceeași lungime de undă. Ele diferă numai în modul în care sunt obținute. Razele X apar în prezența electronilor foarte rapizi, iar radiația gamma se obține numai în procesele de dezintegrare și fuziune a nucleelor ​​atomice. X-ray-ul este împărțit într-unul moale (cu ajutorul acestuia, plămânii și oasele umane strălucește) și rigide (de obicei, necesare numai în scopuri industriale sau de cercetare). Dacă accelerați foarte puternic electronul și apoi încetați brusc (de exemplu, trimițându-l la un corp solid), atunci acesta va emite fotoni cu raze X. În coliziunea unor astfel de electroni cu materia, electronii de la atomii țintă sunt evacuați din cochilii inferiori. În acest caz, electronii cochililor de sus ocupă locul lor, iar în timpul tranziției emite și raze X.

Gama quanta apare în alte cazuri. Nucleele atomilor, chiar dacă ele constau din mai multe particule elementare, se caracterizează prin dimensiuni mici, și, prin urmare, ele tind să cuantizare energie. Tranziția nucleelor ​​de la o stare excitată la o stare inferioară este însoțită de emisia de quanta gamma. Orice reacție de dezintegrare sau de fuziune a nucleelor ​​se realizează, inclusiv cu debutul fotonilor gamma.

Reacția nucleară

Puțin mai devreme am menționat că nucleele atomice respectă, de asemenea, legile lumii cuantice. Dar există substanțe în natură cu astfel de nuclee atât de mari încât devin instabile. Ele tind să se spargă în componente mai mici și mai stabile. Pentru ei, cum probabil deja ghicesc cititorul, includeți, de exemplu, plutoniul și uraniul. Când planeta noastră a fost formată dintr-un disc protoplanar, a avut o anumită cantitate de substanțe radioactive. De-a lungul timpului, s-au dezintegrat, transformându-se în alte elemente chimice. Cu toate acestea, pentru a fi supraviețuit unui număr de uraniu nondecayed, iar valoarea sa poate fi judecat, de exemplu, vârsta pământului. Pentru elementele chimice care posedă radioactivitatea naturală, există o astfel de caracteristică ca timpul de înjumătățire. Aceasta este perioada în care numărul de atomi rămași din această specie va fi înjumătățit. Timpul de înjumătățire al plutoniului, de exemplu, are loc în douăzeci și patru de mii de ani. Cu toate acestea, pe lângă radioactivitatea naturală, există și o radioactivitate forțată. Dacă particulele alfa grele sau neutronii lumina sunt bombardați cu nucleele atomice, se descompun. În acest caz, se disting trei tipuri de radiații ionizante: particule alfa, particule beta, raze gamma. Decaparea beta duce la o modificare a tarifului nuclear pe unitate. Parametrii alfa iau doi pozitroni din nucleu. Gama radiațiilor nu are o sarcină și nu se abate de la câmpul electromagnetic, dar are cea mai mare putere de penetrare. Cuantificarea energiei apare în toate cazurile de dezintegrare nucleară.

Război și pace

Lasere, raze X, studiul solidelor și stelelor sunt aplicații pașnice ale cunoștințelor despre cuantele. Cu toate acestea, lumea noastră este plină de amenințări și toată lumea se străduiește să se protejeze. Știința servește atât scopuri militare. Chiar și un astfel de fenomen pur teoretic, cum ar fi cuantificarea energiei, este pus pe veghele lumii. Determinarea discrepanței oricărei radiații, de exemplu, a constituit baza armelor nucleare. Desigur, există doar câteva unități de folosință în luptă - sigur, cititorul își amintește de Hiroshima și Nagasaki. Toate celelalte ocazii de a apăsa butonul roșu cu preț redus au fost mai mult sau mai puțin pașnice. Există, de asemenea, întotdeauna o problemă de contaminare radioactivă a mediului. De exemplu, perioada de înjumătățire a plutoniului indicat mai sus face ca peisajul în care acest element devine impropriu pentru utilizare pentru un timp foarte lung, aproape epocă geologică.

Apă și fire

Să ne întoarcem la utilizarea pașnică a reacțiilor nucleare. Vorbirea, desigur, se referă la generarea de energie electrică cu ajutorul lui fisiune de nuclee. Acest proces arată astfel:

Miezul reactorului inițial ca neutronii liberi și apoi au lovit un element radioactiv (de obicei izotopilor de uraniu), care suferă o degradare alfa sau beta.

Pentru ca această reacție să nu treacă într-o etapă necontrolată, miezul reactorului conține așa-numitele retardatoare. De regulă, acestea sunt tije din grafit, care absorb foarte bine neutronii. Prin ajustarea lungimii acestora, puteți monitoriza rata de reacție.

Ca rezultat, un element se transformă într-altul și se eliberează o cantitate incredibilă de energie. Această energie este absorbită de un rezervor plin cu așa-numita apă grea (în loc de hidrogen în molecule de deuteriu). Ca urmare a contactului cu miezul reactorului, această apă este puternic contaminată cu produse dezintegrarea radioactivă. Utilizarea acestei ape este cea mai mare problemă energia nucleară în acest moment.

În primul circuit de apă este plasat al doilea, în al doilea - al treilea. Apa celui de-al treilea circuit este deja sigură și se transformă în turbină, care produce energie electrică.

În ciuda unui astfel de număr mare de intermediari între energia eliberată în mod direct miezuri și utilizatorul final (să nu uităm de zeci de kilometri de cabluri, care, de asemenea pierderea de putere), această reacție dă putere incredibilă. De exemplu, o centrală nucleară poate furniza energie electrică cu o zonă întreagă, cu o varietate de întreprinderi industriale.