Kvantisering av en elektrons energi i en atom. Metod för att erhålla energi i en långsam neutronreaktor

Denna artikel berättar om vad kvantiseringen av energi och vilket värde detta fenomen har för modern vetenskap. Historien om upptäckten av energieffektivitet presenteras och användningsområdena för kvantisering av atomer visas.

Slutet av fysiken

I slutet av 1800-talet stod forskare inför ett dilemma: vid den dåvarande tekniska utvecklingen uppdagades alla möjliga fysiklagar, beskrivs och studerades. Elever, som hade en stark förmåga i naturvetenskapen, rekommenderade lärare inte att välja fysik. De trodde att det inte längre var möjligt att bli känd i det, men det var bara rutinarbete på studien av mindre mindre detaljer kvar. Detta passar bättre en uppmärksam person, inte en begåvad person. Men fotografering, som var mer av en underhållande upptäckt, gav upphov till reflektion. Allt började med enkla inkonsekvenser. Till att börja med visade det sig att ljuset inte är helt kontinuerligt: under vissa förhållanden lämnade brinnande väte ett antal linjer på fotografisk tallrik istället för en enda plats. Det förtydligades vidare att heliumspektra hade fler linjer än spektra av väte. Då upptäcktes att spåren hos vissa stjärnor skiljer sig från de andra. Och ren nyfikenhet gjorde att forskarna manuellt sett en upplevelse efter varandra för att söka svar på frågor. De tänkte inte på kommersiell tillämpning av deras upptäckter.

Planck och Quantum

Lyckligtvis för oss, detta genombrott i fysik åtföljdes av utvecklingen av matematik. Eftersom förklaringen av vad som händer passar in i otroligt komplexa formler. År 1900 upptäckte Max Planck, som arbetar med teorin om blackbody-strålning, att kvantifiering av energi uppstår. Beskriv kortfattat meningen med detta uttalande är enkelt nog. Vilken elementär partikel som helst kan existera endast i vissa konkreta tillstånd. Om du ger en grov modell kan räknaren för sådana tillstånd visa siffrorna 1, 3, 8, 13, 29, 138. Och alla andra värden mellan dem är otillgängliga. Skälen till detta kommer vi att avslöja lite senare. Men om du dyker in i historien om denna upptäckt, är det värt att notera att forskaren själv fram till slutet av sitt liv ansåg att kvantifiera energi endast ett bekvämt matematiskt trick som inte hade en allvarlig fysisk betydelse.

Våg och massa

Början av det tjugonde århundradet var fullt av upptäckter kopplade till elementära partiklar. Men det största mysteriet var följande paradox: I vissa fall uppträdde partiklarna som föremål som har en massa (och därmed en impuls), och i vissa fall är de som en våg. Efter långa och envisa argument var det nödvändigt att komma till en otrolig slutsats: elektroner, protoner och neutroner har dessa egenskaper samtidigt. Detta fenomen kallades corpuscular-wave dualism (i ryska forskares tal för två hundra år sedan kallades en partikel ett korpus). Således är elektronen en viss massa, eftersom den smetsades in i en våg av en viss frekvens. En elektron som roterar runt en atoms kärna, överflödar oändligt sina vågor på varandra. Följaktligen släcker man inte bara varandra vid vissa avstånd från centrum (som beror på våglängden) av elektronvågen, roterande. Detta sker när, när "huvudet" hos en vågelektron appliceras på sin "svans", överensstämmer maxima med maxima och minima sammanfaller med minima. Detta förklarar kvantiseringen av atomens energi, det vill säga närvaron i det av strikt definierade banor på vilka en elektron kan existera.

Sfärisk nanokonv i vakuum

Egentliga system är oerhört komplexa. Genom att följa den ovan beskrivna logiken kan man fortfarande förstå systemet med elektronbanor i väte och helium. Men ytterligare komplicerade beräkningar krävs. För att lära sig att förstå dem studerar moderna studenter kvantifieringen av partikelenergi i en potentiell brunn. Till att börja med väljes en idealform och en enda modellelektron. För dem, lösa Schrodinger ekvationen, hitta de energinivåer på vilka en elektron kan lokaliseras. Efter att ha lärt sig att leta efter missbruk, introducerar fler och fler variabler: brunnets bredd och djup, förlorar energin och frekvensen av elektronen säkerhet, vilket ger komplexitet till ekvationerna. Då ändras formens form (till exempel blir den kvadratisk eller dentisk i profilen, dess kanter förlorar symmetri), hypotetiska elementära partiklar med de givna egenskaperna tas. Och först då lär man sig att lösa problem där kvantifieringen av strålningsenergin hos reella atomer och ännu mer komplexa system visas.

Impuls, vinkelmoment

Nivån på energi, men en elektron är dock en jämn mer eller mindre förståelig mängd. Allt, på ett eller annat sätt, men föreställ dig att den högre energin hos centralvärmebatterier motsvarar en högre temperatur i lägenheten. Följaktligen kan kvantifieringen av energi fortfarande föreställas. Det finns också begrepp inom fysik som är intuitivt svåra att förstå. I makroworlden är momentumet produkt av hastighet och massa (vi glömmer inte att hastighet, som momentum, är vektormängder, det vill säga de beror på riktningen). Det är tack vare impulsen att det är uppenbart att en långsamt rörlig medelsten bara lämnar en blåmärken om den kommer till en person, medan en liten pellet som släpps med stor hastighet kommer att genomborra kroppen genom och genom. I mikrokosmen är impulsen en kvantitet som kännetecknar partikelns förhållande till det omgivande rummet, liksom dess egenskap att flytta och interagera med andra partiklar. Den senare beror direkt på energin. Således blir det klart att kvantiseringen av partikelenergi och momentum måste vara inbördes samband. Dessutom, den konstanta h, som betecknar den minsta möjliga delen av det fysiska fenomenet och visar diskretiteten av kvantiteterna, går in i formeln för både partikelns energi och momentum i nanosvärlden. Men det finns ett koncept ännu längre från intuitiv medvetenhet - impulsens ögonblick. Det hänvisar till roterande kroppar och anger hur mycket och vid vilken vinkelhastighet det roterar. Minns, vinkelhastigheten indikerar rotationsmängden per tidsenhet. Pulsens ögonblick kan också informera distributionsmetoden för den roterande kroppens ämne: föremål med samma massa men koncentrerade nära rotationsaxeln eller vid periferin kommer att ha en annan vinkelmoment. Som läsaren troligen redan gissat, i atomens värld kvantiseras vinkelmomentets energi.

Kvantum och laser

Inverkan av upptäckten av diskretitet av energi och andra kvantiteter är uppenbart. En detaljerad studie av världen är endast möjlig genom en kvant. Moderna metoder för att studera materia, användningen av olika material och till och med vetenskapen om deras skapande - en naturlig fortsättning att förstå vad kvantiseringen av energi. Principen om drift och användning av lasern är inget undantag. Generellt består lasern av tre grundläggande element: ett arbetsmedium, en pump och en spegelreflektor. Arbetsgruppen är vald så att det finns två relativt nära nivåer för elektroner i den. Det viktigaste kriteriet för dessa nivåer är elektronernas livstid på dem. Det är, hur mycket elektronen kan hålla ut i en viss stat innan den går i en lägre och stabilare position. Av de två nivåerna bör den längre vara den längre. Sedan pumpar (ofta - en vanlig lampa, ibland - en infraröd lampa) ger elektroner tillräckligt med energi som de alla samlas på den övre nivån av energi och ackumuleras där. Detta kallas den inversa befolkningen i nivåerna. Vidare passerar någon elektron i ett lägre och stabilt tillstånd med utsläpp av en foton, vilket orsakar nedbrytningen av alla elektroner nedåt. Den här egenskapens särdrag är att alla fotona som erhålls har samma våglängd och är sammanhängande. Arbetsmediet är som regel ganska stort, och flöden genereras i det, riktat i olika riktningar. Reflektorspegelns roll är att filtrera ut endast de fotonflöden som är riktade i en riktning. Som ett resultat erhålls en smal intensiv stråle av koherenta vågor med samma våglängd vid utgången. Först betraktades detta endast i en fast kropp. Den första lasern hade en artificiell rubin som arbetsmedium. Nu finns det lasrar av alla slag och typer - på vätskor, gas och till och med på kemiska reaktioner. Som läsaren ser, spelas huvudrollen i denna process av ljusets absorption och utsläpp av en atom. Kvantisering av energi är bara en grund för att beskriva teorin.

Ljus och elektron

Minns att övergången av en elektron i en atom från en omlopp till en annan åtföljs av antingen utsläpp eller absorption av energi. Denna energi framträder som en kvantitet ljus eller en foton. Formellt är en foton en partikel, men den skiljer sig från andra invånare i nanoweden. En foton har inte massa, men har fart. Detta bevisades av den ryska forskaren Lebedev 1899, vilket tydligt visar på ljusets tryck. En foton existerar bara i rörelse och dess hastighet är lika med ljusets hastighet. Detta är det snabbaste möjliga objektet i vårt universum. Ljusets hastighet (vanligtvis betecknad av ett litet latinskt "c") är ungefär trehundra tusen kilometer per sekund. Till exempel är storleken på vår galax (inte den största av rymdstandarden) ungefär ett hundra tusen ljusår. Mot en substans ger fotonen sin energi helt, som om den löser sig samtidigt. En fotons energi, som frigörs eller absorberas under övergången av en elektron från en omlopp till en annan, beror på avståndet mellan banorna. Om det är litet frigörs infraröd strålning med låg energi, om stor ultraviolett erhålls.

Röntgen- och gammastrålning

Den elektromagnetiska skalan efter ultraviolett strålning innehåller röntgenstrålar och gammastrålar. I allmänhet överlappar de i ett brett spektrum längs våglängden, frekvensen och energin. Det vill säga, det finns en röntgenfoton med en våglängd på 5 picometrar och en gamma-foton med samma våglängd. De skiljer sig bara från det sätt de erhåller. Röntgen uppstår i närvaro av mycket snabba elektroner, och gammastrålning erhålls endast i processerna för förfall och fusion av atomkärnor. Röntgen är uppdelad i en mjuk (med hjälp av lungorna och mänskliga benen lyser igenom) och hårda (vanligtvis endast för industriella eller forskningsändamål). Om du accelererar elektronen kraftigt och sedan sakta saktar den (till exempel genom att rikta den in i en fast kropp), kommer den att avge röntgenfoton. I kollisioner av sådana elektroner med materia matas elektroner från målatomer ut från de nedre skalen. I detta fall tar de övre skalens elektroner plats, samtidigt som de utstrålar röntgenstrålar.

Gamma quanta förekommer i andra fall. Kärnorna av atomer, även om de består av många elementära partiklar, skiljer sig också i små storlekar, vilket innebär att de karakteriseras av kvantisering av energi. Övergången av kärnor från ett exciterat tillstånd till ett lägre tillstånd åtföljs av utsläpp av gammakvanta. Vilken som helst reaktion av sönderfall eller fusion av kärnor fortskrider, inkluderande med utseendet av gammafotoner.

Kärnreaktion

En liten bit tidigare nämnde vi att atomkärnor också följer kvansvärldens lagar. Men det finns ämnen i naturen med så stora kärnor att de blir instabila. De brukar bryta sig in i mindre och stabila komponenter. Till dem, som läsaren redan antar gissningar, inkludera till exempel plutonium och uran. När vår planet bildades av en protoplanetisk skiva hade den en viss mängd radioaktiva ämnen. Med tiden sönderdelades de och omvandlades till andra kemiska element. Men hittills har en viss mängd icke upplöst uran kommit ner, och med dess nummer kan man döma, till exempel jordens ålder. För kemiska element som har naturlig radioaktivitet finns det en sådan egenskap som halveringstid. Detta är den tidsperiod som antalet kvarvarande atomer av denna art kommer att halveras. Halveringstiden för plutonium förekommer exempelvis över tjugofyra tusen år. Men förutom den naturliga radioaktiviteten finns det också en tvungen radioaktivitet. Om du bombarderar atomkärnorna med tunga alfapartiklar eller lätta neutroner bryter de upp. Tre typer joniserande strålning utmärks: alfapartiklar, beta-partiklar, gammastrålar. Betaförfall leder till en förändring av kärnkraften per enhet. Alfa partiklar tar två positroner från kärnan. Gamma-strålning har ingen laddning och avviker inte från det elektromagnetiska fältet, men har den högsta penetrerande kraften. Kvantisering av energi uppstår i alla fall av kärnkrabbning.

Krig och fred

Lasrar, röntgenstrålar, studien av fasta ämnen och stjärnor är alla fridfulla tillämpningar av kunskap om quanta. Vår värld är dock full av hot, och alla strävar efter att skydda sig själva. Vetenskap tjänar både militära ändamål. Även sådant rent teoretiskt fenomen som kvantisering av energi sätts på världens klocka. Bestämningen av diskretion av någon strålning var till exempel grunden för kärnvapen. Självklart finns det bara ett fåtal militära applikationer - säkert kommer läsaren att minnas Hiroshima och Nagasaki. Alla andra anledningar att trycka på den uppskattade röda knappen var mer eller mindre fredliga. Det finns också alltid en fråga om radioaktiv förorening av miljön. Till exempel gör ovanstående halvförfall av plutonium terrängen i vilket detta element faller, olämpligt för användning under mycket lång tid, nästan i den geologiska eran.

Vatten och ledningar

Låt oss återvända till fredlig användning av kärnreaktioner. Detta handlar naturligtvis om elproduktion genom kärnklyvning. Processen ser så här ut:

I reaktorns aktiva zon uppträder fria neutroner, och sedan slår de ett radioaktivt element (vanligtvis en uranisotop) som genomgår alfa- eller beta-sönderfall.

För att denna reaktion inte ska passera in i ett okontrollerat stadium innehåller den aktiva zonen i reaktorn så kallade fördröjare. Som regel är dessa grafitstänger, vilka absorberar neutroner mycket bra. Genom att justera längden kan du övervaka reaktionshastigheten.

Som ett resultat blir ett element till en annan, och en otrolig mängd energi släpps. Denna energi absorberas av en behållare fylld med så kallat tungt vatten (i stället för väte i deuteriummolekyler). Som ett resultat av kontakt med reaktorkärnan är detta vatten kraftigt förorenat med produkter av radioaktivt sönderfall. Det är utnyttjandet av detta vatten som är det största problemet med kärnkraft för närvarande.

Den första vattenkretsen placeras andra, i den andra - den tredje. Vattnet i den tredje kretsen är redan säkert att använda, och det blir turbinen som genererar el.

Trots ett så stort antal mellanhänder mellan de direkta energirelaterande kärnorna och slutanvändaren (låt oss inte glömma tiotals kilometer ledningar, där det också finns en strömförlust), ger denna reaktion otroligt kraft. Till exempel kan ett kärnkraftverk leverera el med ett helt område med en rad olika industriföretag.