Kvantizacija energije elektrona v atomu. Postopek za pridobivanje energije v reaktorju s počasnim nevtronom

Ta članek govori o tem, kaj je kvantizacija energije in kakšna vrednost ima ta pojav za sodobno znanost. Predstavljena je zgodovina odkrivanja diskretnosti energije, prikazana pa sta tudi področja uporabe kvantizacije atomov.

Konec fizike

V poznem devetnajstem stoletju, dilema, ki jih znanstveniki soočajo: takratni obstoječo raven tehnologije, so odkrili vse možne zakoni o fizike, opisana in študiral. Študentom, ki so imeli močne sposobnosti v naravoslovju, učiteljem ni bilo treba izbrati fizike. Menili so, da v njej ni več mogoče postati znano, ostalo pa je le rutinsko delo na študiju manjših manjših podrobnosti. To je bolj primerna pozorna oseba, ne nadarjena oseba. Vendar pa 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 popolnoma neprekinjena: pod določenimi pogoji je gorenje vodika zapustilo vrsto linij na fotografski plošči namesto ene same točke. Dodatno je bilo pojasnjeno, da je imel helijevi spektri več linij kot spektre vodika. Potem je bilo ugotovljeno, da se steza nekaterih zvezd razlikuje od drugih. In čista radovednost je raziskovalcem ročno postavila eno izkušnjo za drugo v iskanju odgovorov na vprašanja. Niso razmišljali o komercialni uporabi njihovih odkritij.

Plank in Quantum

Na srečo za nas je ta preboj v fiziki spremljal razvoj matematike. Ker se je razlaga tega, kar se dogaja, ujema z neverjetno kompleksnimi formulami. Leta 1900 je Max Planck, ki je delal na teoriji sevanja črnega telesa, ugotovil, da pride do kvantizacije energije. Na kratko opišemo pomen te izjave je zelo preprosta. Vsak elementarni delec lahko obstaja le v nekaterih konkretnih stanjih. Če podamo grobi model, lahko števec takih stanj prikazuje številke 1, 3, 8, 13, 29, 138. Vse ostale vrednosti med njimi so nedostopne. Razlogi za to bomo razkrili malo kasneje. Vendar, če se potopite v zgodovino tega odkritja, je treba omeniti, da je znanstvenik sam do konca svojega življenja štel količinsko energijo le v priročen matematični trik, ki ni imel resnega fizičnega pomena.

Val in masa

Začetek dvajsetega stoletja je bil poln odkritij, povezanih s svetom elementarnih delcev. Največja skrivnost pa je bila paradoks: v nekaterih primerih so se delci obnašali kot predmeti z maso (in s tem impulzom) in v nekaterih primerih kot valom. Po dolgih in trmastih argumentih je bilo potrebno doseči neverjeten zaključek: te lastnosti imajo istočasno tudi elektroni, protoni in nevtroni. Ta pojav je dobil ime korpuskularnega valovitega dualizma (v govoru ruskih znanstvenikov pred dvesto leti se je delec imenoval korpuscle). Tako je elektron določena masa, ker je bila premešana v val določene frekvence. Elektron, ki se vrti okoli jedra atoma, neskončno nadgrajuje svoje valove drug na drugega. Zato se le na določenih razdaljah od središča (ki so odvisne od valovne dolžine) valov elektronov, ki se vrtijo, ne ugasnejo drug drugega. To se zgodi, ko se, ko se "glava" valovnega elektrona uporabi za njegov "rep", maksimata sovpadata z maksimi in najmanjša minimuma sovpada z minima. To pojasnjuje kvantizacijo energije atomov, to je prisotnost v njem strogo definiranih orbit, na katerih lahko obstaja elektron.

Sferični nanokonv v vakuumu

Vendar so resnični sistemi izjemno zapleteni. Spoštovanje logike, opisane zgoraj, še vedno lahko razumemo sistem elektronskih orbit v vodiku in heliju. Vendar pa so potrebni dodatni zapleteni izračuni. Sodobni študentje se naučijo, kako jih razumeti, kvantizacijo energije delcev v potencialni vodnjaki. Za začetek je izbrana idealna oblika oblike in en sam model elektronov. Za njih rešite Schrodingerjevo enačbo, poiščite energijske ravni, na katere se lahko nahaja elektron. Po učenju iskati zasvojenosti, ki uvaja vedno več spremenljivk: širino in globino vdolbine, energija in frekvenca elektronov izgubljajo gotovost in dodajajo kompleksnost enačbam. Nadalje se oblika jame spremeni (npr. V profilu postane kvadratna ali zobna, robovi izgubljajo simetrijo), se sprejmejo hipotetični elementarni delci z danimi značilnostmi. In šele potem se naučijo reševati probleme, v katerih se pojavi kvantizacija sevalne energije realnih atomov in še bolj zapletenih sistemov.

Impulz, kotni moment

Vendar pa je raven energije, recimo, elektron še bolj ali manj razumljiva vrednost. Vse, tako ali drugače, vendar si predstavljamo, da višja energija baterij za centralno ogrevanje ustreza višji temperaturi v stanovanju. Zato je kvantiziranje energije še vedno mogoče zamisliti. Obstajajo tudi takšni pojmi v fiziki, ki so intuitivno težko razumljivi. V makrokozmosu je zagon proizvod hitrosti in mase (ne smemo pozabiti, da sta hitrost, kot je moment, vektorska količina, to je odvisna od smeri). Zahvaljujoč impulzi je jasno, da bo počasen premik povprečnega kamna pustil samo modrico, če bo zadela osebo, medtem ko bo majhen pelete, sproščene z veliko hitrostjo, prebodile telo skozi in skozi. V mikrokozmosu je impulz količina, ki označuje razmerje delca z okoliškim prostorom, pa tudi lastnost gibanja in medsebojnega delovanja z drugimi delci. Slednje so neposredno odvisne od energije. Tako postane jasno, da je treba kvantizacijo energije in momentov delcev medsebojno povezati. Poleg tega konstanta h, ki označuje najmanjši možni del fizičnega pojava in prikazuje diskretnost količin, vstopi v formulo tako energije kot momentov delcev v nanovo sordu. Toda koncept še dlje od intuitivnega zavedanja - trenutek impulza. Nanaša se na rotirajoča telesa in nakazuje, koliko in na kateri kotni hitrosti se vrti. Naj spomnimo, kotna hitrost prikazuje količino vrtljajev na enoto časa. Vrtilna količina je tudi možnost, da poročajo način razdelitve rotirajočega telesa snovi v: objekti z enako maso, vendar centered okoli osi vrtenja ali na obrobju bodo imeli drugačno kotni moment. Kot je bralec verjetno že uganil, se v svetu atoma kvantizira energija kotnega momenta.

Kvantni in laserski

Očitno je vpliv odkritja diskretnosti energije in drugih količin. Podrobna študija o svetu je mogoča le s pomočjo kvantuma. Sodobne metode študija snovi, uporaba različnih materialov in celo znanost o njihovem nastanku - naravno nadaljevanje razumevanja, kaj je kvantizacija energije. Načelo delovanja in uporabe laserja ni nobena izjema. Na splošno je laser sestavljen iz treh glavnih elementov: delovnega medija, črpalke in zrcalnega reflektorja. Delovno telo je izbrano tako, da v njem obstajajo dve sorazmerno blizu ravni. Najpomembnejše merilo za te ravni je življenjska doba elektronov na njih. To pomeni, koliko elektrona lahko preživi v določenem stanju, preden gre v nižji in bolj stabilen položaj. Od dveh stopenj bi morala biti dlje dolga. Potem črpanje (pogosto - navadna svetilka, včasih tudi infrardeča svetilka) daje elektrom dovolj energije, da se vsi zberejo na zgornjem nivoju energije in se tam kopičijo. To se imenuje inverzna populacija ravni. Poleg tega se nek en elektron prenese v nižje in stabilno stanje z emisijo fotona, kar povzroči razčlenitev vseh elektronov navzdol. Posebnost tega procesa je, da imajo vsi dobljeni fotoni enako valovno dolžino in so koherentni. Vendar pa je delovni medij praviloma precej velik, v njem pa nastajajo tokovi, usmerjeni v različne smeri. Vloga reflektorskega zrcala je filtrirati le tiste fotonske tokove, ki so usmerjeni na eno stran. Posledično se na izhodu pridobi ozek intenziven snop koherentnih valov iste valovne dolžine. Sprva je bilo to mogoče le v trdnem telesu. Prvi laser je imel umetni ruby ​​kot delovni medij. Zdaj so laserji vseh vrst in tipov - na tekočinah, plinu in celo pri kemičnih reakcijah. Kot bralec vidi, glavno vlogo v tem procesu igra absorpcija in emisija svetlobe z atomom. Kvantizacija energije v tem primeru je le osnova za opis teorije.

Svetloba in elektron

Spomnimo se, da prehod elektrona v atom iz ene orbite v drugo spremlja bodisi emisija ali absorpcija energije. Ta energija se pojavlja kot kvant svetlobe ali fotona. Formalno, foton je delec, vendar se razlikuje od drugih prebivalcev nanovora. Foton nima mase, vendar ima impulz. To je dokazal ruski znanstvenik Lebedev leta 1899, ki jasno kaže pritisk svetlobe. Foton obstaja samo v gibanju in njegova hitrost je enaka hitrosti svetlobe. To je najhitrejši možen predmet v našem vesolju. Hitrost svetlobe (navadno označen z majhnim latinskim "c") je približno 300.000 kilometrov na sekundo. Na primer, velikost naše galaksije (ki ni največja po standardih vesolja) je približno sto tisoč svetlobnih let. Soočanje s snovjo, ga foton daje popolnoma svoji energiji, kot da se hkrati raztopi. Energija fotona, ki se sprosti ali absorbira med prehodom elektrona iz ene orbite v drugo, je odvisna od razdalje med orbitami. Če je majhna, se infrardeče sevanje z nizko energijo sprosti, če je pridobljeno veliko, ultravijolično.

Rentgensko in gama sevanje

Elektromagnetna lestvica po ultravijoličnem sevanju vsebuje rentgenske žarke in gama žarke. Na splošno se prekrivajo v širokem obsegu valovnih dolžin, frekvenci in energiji. To pomeni, da obstaja rentgenski foton z valovno dolžino 5 pikometrov in gama-foton z isto valovno dolžino. Razlikujejo se le na način, kako so pridobljeni. Rentgenski žarki nastanejo v prisotnosti zelo hitrih elektronov in gama sevanja dobimo le v procesih razpadanja in združevanja atomskih jeder. Rentgen je razdeljen na mehko (s svojo pomočjo sijoča ​​pljuča in človeške kosti) in toga (običajno potreben le za industrijske ali raziskovalne namene). Če zelo močno pospešite elektron in ga potem močno upočasnite (na primer s pošiljanjem v trdno telo), potem bo oddajajo rentgenske fotone. Pri trkih takih elektronov s snovjo iz spodnjih školjk izbrišejo elektroni iz ciljnih atomov. V tem primeru elektroni zgornje lupine zasedajo svoje mesto in med prehodom oddajajo rentgenske žarke.

Gamma kvanti nastanejo v drugih primerih. Jaredi atomov, čeprav so sestavljeni iz številnih elementarnih delcev, se prav tako razlikujejo v majhnih velikostih, kar pomeni, da jih zaznamujejo kvantizacija energije. Prehod jeder iz vzbujenega stanja v nižje stanje spremlja emisija gama kvantov. Vsaka reakcija razpadanja ali fuzije jeder nadaljuje, tudi z nastankom gama fotonov.

Jedrska reakcija

Nekoliko prej smo omenili, da atomska jedra prav tako držijo zakonov kvantnega sveta. Vendar obstajajo snovi v naravi s tako velikimi jedri, da postanejo nestabilne. Težijo k premostitvi manjših in stabilnejših komponent. Kot jim bralci verjetno že ugibajo, vključujejo, na primer, plutonij in uran. Ko je bil naš planet izdelan iz protoplanetnega diska, je imel določeno količino radioaktivnih snovi. Sčasoma so se razpadli in pretvorili v druge kemične elemente. Kljub temu se je do zdaj pojavila določena količina nerazvejanega urana, po njeni številki pa lahko npr. Ocenimo starost Zemlje. Za kemične elemente, ki jih imajo naravna radioaktivnost, obstaja tako značilnost kot razpolovna doba. To je čas, v katerem se preostalo število atomov te vrste prepolovi. Razpolovni čas plutonija je na primer več kot štiriindvajset tisoč let. Vendar pa je poleg naravne radioaktivnosti prisotna tudi prisilna radioaktivnost. Če so težki delci alfa ali svetlobni nevtroni bombardirani z atomskimi jedri, se razgradijo. V tem primeru se razlikujejo tri vrste ionizirajočega sevanja: delci alfa, delci beta, gama žarki. Beta propad vodi v spremembo jedrske obremenitve na enoto. Alfa delci vzamejo dva pozitrona iz jedra. Gamma sevanje ni napolnjeno in ne odstopa od elektromagnetnega polja, vendar ima največjo penetracijsko moč. Kvantizacija energije se pojavi v vseh primerih jedrskega razpada.

Vojna in mir

Laserji, rentgenski žarki, študije trdnih snovi in ​​zvezd so vsa miroljubna uporaba znanja o kvanti. Vendar je naš svet poln groženj, vsi pa si prizadevajo, da se zaščitijo. Znanost služi tako vojaškim namenom. Tudi tak čisto teoretični pojav kot kvantizacija energije je postavljen na straži sveta. Določanje diskretnosti kakršnega koli sevanja je na primer temeljilo na jedrskem orožju. Seveda obstaja le nekaj enote za bojno uporabo - zagotovo bralec spominja Hiroshime in Nagasaki. Vse druge priložnosti, da pritisnete cenjeni rdeči gumb, so bili bolj ali manj mirni. Prav tako je vedno vprašanje radioaktivne kontaminacije okolja. Na primer, zgornja polovica razpadanja plutonija naredi teren, v katerem ta element pada, neprimeren za uporabo že dolgo časa, skoraj v geološki dobi.

Voda in žice

Vrnimo se k miroljubni uporabi jedrskih reakcij. Govor je, seveda, o proizvodnji električne energije s pomočjo cepitev jeder. Ta postopek je videti takole:

Jedro reaktorja najprej kot prostih nevtronov in nato udarijo radioaktivnega elementa (tipično uran izotopov), ki je izpostavljen alfa ali beta gnilobe.

Da ta reakcija ne preide v nekontrolirano stopnjo, reaktorsko jedro vsebuje tako imenovane retarderje. To so praviloma palice iz grafita, ki dobro absorbirajo nevtrone. S prilagoditvijo njihove dolžine lahko spremljate hitrost reakcije.

Posledica tega je, da se en element spremeni v drugega in sprosti neverjetno količino energije. Ta energija absorbira rezervoar, napolnjen s tako imenovano težko vodo (namesto vodika v devterijevih molekulah). Zaradi stika z reaktorskim jedrom je ta voda močno onesnažena z izdelki radioaktivno razpadanje. Izkoriščanje te vode je največja težava jedrska energija trenutno.

V prvem vodnem krogu je postavljen drugi, v drugem - tretji. Voda tretjega tokokroga je že varna za uporabo, in to obrne turbino, ki proizvaja električno energijo.

Kljub tako velikega števila posrednikov med sproščene neposredno jeder energije in končnim uporabnikom (pa ne pozabite na desetine kilometrov žice, ki je tudi izguba moči), ta reakcija daje neverjetno moč. Na primer, ena jedrska elektrarna lahko oskrbi električno energijo s celotnim območjem z različnimi industrijskimi podjetji.