Kwantisering van die energie van 'n elektron in 'n atoom. 'N Metode van die vervaardiging van energie in 'n reaktor by stadige neutrone

Hierdie artikel praat oor wat die kwantisering van energie en die betekenis van hierdie verskynsel is om die moderne wetenskap. Dit wys die geskiedenis van die ontdekking van discreteness van energie, en ook gedemonstreer die omvang van gekwantiseerde atome.

Einde van fisika

In die laat negentiende eeu, die dilemma in die gesig gestaar deur wetenskaplikes: die destydse bestaande vlak van tegnologie, al die moontlike wette van fisika ontdek, beskryf en bestudeer. Studente wat hoogs ontwikkelde vermoëns in die wetenskappe gehad het, die onderwyser aangeraai om nie te fisika kies. Hulle het geglo dat dit verheerlik is nie meer moontlik, daar was net 'n roetine werk vir die studie van klein kleiner detail. Dit is meer geskik versigtig man, nie begaafde. Maar die foto wat meer entertaining was die ontdekking het geleentheid om te besin. Dit het alles begin met 'n eenvoudige teenstrydighede. Om mee te begin, het dit geblyk dat die lig is nie heeltemal soliede: in sekere omstandighede, die brand van waterstof links op die bord aantal lyne in plaas van net een plek. Verder is daar gevind dat die spektra van die helium het meer lyne as waterstof spektra. Dan is ontdek dat die spoor van 'n ster is anders as die ander. En pure nuuskierigheid verplig navorsers hand een ervaring het na 'n ander, op soek na antwoorde op vrae. Op die kommersiële gebruik van hul ontdekkings het hulle nie daaraan gedink.

Planck en kwantum

Gelukkig vir ons, hierdie deurbraak in fisika het gepaard gegaan met die ontwikkeling van wiskunde. Omdat die verduideliking van wat gebeur pas in die ongelooflik komplekse formule. In 1900, Maks Plank, werk op die teorie van bestraling van absoluut swart liggaam, het bevind dat energie gekwantiseer. ons kortliks vertel oor die betekenis van hierdie stelling is eenvoudig. Enige elementêre deeltjie kan slegs in 'n paar spesifieke omstandighede. As veroorsaak rowwe model, kan die toonbank sulke state wys van 1, 3, 8, 13, 29, 138. Al die ander waardes is nie beskikbaar tussen hulle. Die redes hiervoor sal ons later openbaar. Maar, as jy duik in die storie van hierdie ontdekking, dit is die moeite werd om daarop te let dat die wetenskaplike beskou as die energie kwantisering van die einde van die lewe is net 'n gerieflike wiskundige truuk, is nie toegerus met 'n ernstige fisiese sin.

Golf en gewig

Die begin van die twintigste eeu was deurspek met ontdekkings wat verband hou met die wêreld van elementêre deeltjies. Maar die grootste raaisel is die volgende paradoks: in sommige gevalle, die deeltjies op te tree soos voorwerpe met massa (en dus momentum), en 'n paar - soos 'n golf. Na 'n lang en aanhoudende geskille tot die gevolgtrekking gekom onwaarskynlik gekom: elektrone, protone en neutrone het hierdie eienskappe gelyktydig. Hierdie verskynsel staan bekend as golf-deeltjie-dualiteit (in die toespraak van Russiese wetenskaplikes tweehonderd jaar gelede liggaampie genoem deeltjie). Dus, 'n elektron is 'n sekere massa, as dit in 'n golf van 'n sekere frekwensie is gesmeer. Elektroniese wat roteer rondom 'n atoomkern, lê oneindig golwe op mekaar. Gevolglik net op sekere afstande vanaf die sentrum (wat afhanklik is van die golflengte), die elektron golf roteer, moenie mekaar kanselleer. Dit vind plaas wanneer by die instelling van die "kop" van die elektron golf op sy "stert" hoogtepunte saamval met die maksimums en minimums - minimums. Dit verklaar die kwantisering van die energie van die atoom, dit wil sê die teenwoordigheid van 'n goed-gedefinieerde bane waarin die elektron kan bestaan nie.

Sferiese nanokon in vacuo

Maar die werklike stelsels is ongelooflik kompleks. Gehoorsaamheid aan die hierbo beskryf kan verder verstaan elektron wentel stelsel in waterstof en helium logika. Maar van toe af behoefte eerder komplekse berekeninge. Om te leer hoe om te verstaan moderne studente leer die kwantisering van energie van die deeltjie in die potensiaalput. Om mee te begin, kies die ideale vorm van 'n put en 'n enkele elektron model. Om hierdie Schrödingervergelyking kan oplos is energie vlakke waarop 'n elektron kan wees. Nadat die leer om te kyk vir afhanklikhede, die bekendstelling van meer veranderlikes: die breedte en diepte van die put, die energie en die frekwensie van die elektron verloor sy bepaaldheid en bygevoeg kompleksiteit vergelykings. Verdere put vorm verander (bv, word dit vierkantig of tand profiel, die rande verloor sy simmetrie), is geneem hipotetiese elementêre deeltjies met gewenste eienskappe. En dan eers leer om probleme waarin die stralingsenergie kwantisering van die werklike atoom en selfs meer komplekse stelsels blyk te los.

impuls momentum

Maar die vlak van energie, byvoorbeeld, 'n elektron - is min of meer duidelik waarde. Alle, op een of ander manier, maar dit blyk dat hoe hoër die energie van die sentrale verwarming battery, hoe hoër die temperatuur in die woonstel. Gevolglik is die kwantisering van energie is steeds moontlik om die gedagte dink. Daar is ook konsepte in fisika wat aanvoel moeilik maak. Die momentum is die produk makro spoed om grond (nie vergeet dat die spoed en momentum van beide - vektor omvang, maw onafhanklik van die rigting). Dit is te danke aan impuls is dit duidelik dat die gemiddelde waarde stadig vlieg klip net laat 'n kneusplek, as jy in 'n man val, dan as 'n klein koeël, afgevuur op 'n hoë spoed, breek deur middel van die liggaam. In die mikro dieselfde pols - dit is so 'n hoeveelheid wat die verhouding van die deeltjies met die omliggende ruimte, sowel as sy eiendom navigeer kenmerkend en interaksie met ander deeltjies. Laasgenoemde is direk afhanklik van die energie. Dus, word dit duidelik dat die kwantisering van energie en momentum van die deeltjie moet word met mekaar verbind. Verder het die konstante h, wat die laagste moontlike gedeelte van die fisiese verskynsel dui en toon diskrete waardes ingesluit in die formule en die energie en momentum van die deeltjies in die nano wêreld. Maar daar is 'n konsep selfs verder van die intuïtiewe bewustheid - momentum. Dit verwys na die roterende liggame en beteken wat 'n massa en 'n roterende hoeksnelheid. Onthou, die hoeksnelheid dui die grootte van rotasie per eenheid tyd. Die hoekmomentum is ook in staat om toedelingsmetode van die roterende liggaam stof rapporteer: voorwerpe met dieselfde massa, maar gesentreer oor die rotasie of op die rand sal verskillende hoekmomentum het. As die leser waarskynlik reeds geraai, in atoom wêreld is energie kwantisering van hoekmomentum.

Quantum en Laser

Die impak van die opening van diskrete energie en ander hoeveelhede voor die hand liggend. 'N Gedetailleerde studie van die wêreld is slegs moontlik danksy kwantum. Moderne metodes van die bestudering van die materiaal, die gebruik van verskillende materiale en selfs die wetenskap om hulle te skep - 'n natuurlike uitvloeisel van begrip wat energie kwantisering. Die beginsel van werking en die gebruik van laser - is geen uitsondering nie. Oor die algemeen, die laser bestaan uit drie basiese elemente: die werkende vloeistof, en 'n pomp reflector spieël. Die werkende vloeistof is gekies sodat daar twee relatief naby aan die vlak van elektrone bestaan. Die belangrikste maatstaf vir hierdie vlakke is die leeftyd van elektrone op hulle. Dit is hoeveel die elektron in staat is om te oorleef in 'n bepaalde staat voor te gaan in 'n laer en stabiele posisie. Van die twee vlakke moet meer lank duur boonste wees. Dan pomp (dikwels - 'n standaard gloeilamp, soms - infrarooi) gee die elektrone genoeg energie om almal bymekaar op die boonste vlak van energie en daar opgehoopte. Dit staan bekend as besettingsomkering vlakke. Verder, 'n paar een elektron beweeg na 'n laer en bestendige toestand met die vrystelling van 'n foton, wat veroorsaak dat die ontwrigting van af elektrone. Die funksie van hierdie proses is dat al die fotone word dus verkry het dieselfde golflengte en samehangende. Maar die werkende vloeistof is gewoonlik groot genoeg is, en dit gegenereer vloei gerig in verskillende rigtings. Die rol van die reflektor spieël is om uit te filtreer slegs diegene strome van fotone, wat dieselfde rigting het. As gevolg hiervan, die produksie is 'n smal intense straal van samehangende golwe van dieselfde golflengte. Op die eerste, is dit slegs in 'n stewige gedink het moontlik is. Die eerste laser was boule as die werkende vloeistof. Nou, daar is lasers van alle soorte en tipes - vloeistowwe, gas, en selfs chemiese reaksies. Soos die leser kan sien, is die belangrikste rol in hierdie proses gespeel deur die opname en vrystelling van lig deur die atoom. kwantisering van energie in hierdie geval is slegs die basis vir die beskrywing van die teorie.

Lig en elektron

Onthou dat die oorgang van 'n elektron in 'n atoom van die een baan na 'n ander gaan gepaard met óf 'n emissie of absorpsie van energie. Hierdie energie verskyn as 'n foton van lig, of foton. Formeel, die foton is 'n deeltjie, maar aan die ander inwoners van die nano wêreld is anders. Foton het geen massa nie, maar het momentum. Hy bewys dit nog Russiese wetenskaplike Lebedev in 1899, duidelik toon die druk van die lig. Foton bestaan slegs in die beweging en sy spoed is die spoed van lig. Dit is die vinnigste moontlike in ons heelal voorwerp. Die spoed van lig (tipies aangedui deur 'n klein Latyns "c") is oor drie honderd duisend kilometer per sekonde. Byvoorbeeld, die grootte van ons sterrestelsel (nie baie groot op ruimte standaarde) is oor 'n honderd duisend ligjare. Gekonfronteer met die saak, die foton gee hom sy krag volkome, asof ontbind in hierdie. Die foton energie, wat uit een baan is vrygestel of geabsorbeer in die oorgang van 'n elektron na 'n ander, hang af van die afstand tussen die wentelbane. As dit is 'n klein - staan uit infrarooi strale met 'n lae energie, as groot - kry ultraviolet.

X-strale en gammastrale

Elektromagnetiese reeks nadat ultraviolet bestaan uit 'n Röntgen en gammastraling. Oor die algemeen is hulle die golflengte, frekwensie en energie oorvleuel in 'n redelik wye spektrum. Dit wil sê, daar is 'n X-straal-foton met 'n golflengte van 5 picometers en gamma foton van dieselfde golflengte. Hulle verskil net in die weg van voorbereiding. Röntgen plaasvind in die teenwoordigheid van baie vinnig elektrone, en gammastraling verkry net in die prosesse van disintegrasie en samesmelting van kerne. X-strale is verdeel in ligte (met die hulp van deurskynende menslike longe en bene) en hard (gewoonlik net nodig vir industriële of navorsingsdoeleindes). As baie sterk versnelde elektrone, en dan skielik stadiger sy (bv, die stuur van 'n soliede), sal dit straal X-straal fotone. In botsings van hierdie elektrone met die stof van die teiken atome, word elektrone uitgetrek uit die laer dop. Die elektrone boonste doppe neem hul plek, die oorgang ook afgee X-strale.

Gammastrale voorkom in ander gevalle. Die kerne van atome, selfs al is hulle bestaan uit baie elementêre deeltjies, word ook gekenmerk deur klein grootte, en dus, hulle is geneig om energie kwantisering. Die oorgang van kerne opgewekte toestand na 'n laer, reg, en vergesel deur die vrystelling van gammastrale. Enige ineenstorting van die reaksie of kernfusie plaasvind, insluitende die opkoms van gamma fotone.

kernreaksie

Effens bo, het ons genoem dat atoomkerne is ook onderhewig aan die wette van die kwantum wêreld. Maar daar is natuurlik voorkom stowwe soos groot cores, hulle onstabiel raak. Hulle is geneig om af te breek in kleiner en meer robuuste komponente. Hiervan is as die leser waarskynlik het geraai, is byvoorbeeld plutonium en uraan. Wanneer ons planeet gevorm uit 'n protoplanetêre skyf, was daar 'n sekere bedrag van radioaktiewe stowwe. Aangesien hulle met verloop van tyd verval, omskep in ander chemiese elemente. Nog 'n aantal nondecayed uraan oorleef, en sy bedrag beoordeel kan word, byvoorbeeld, die ouderdom van die aarde. Vir chemiese elemente wat die natuurlike radioaktiwiteit, daar is so 'n kenmerk as 'n half-leeftyd. Dit is die tydperk waarvoor die oorblywende aantal atome van hierdie soort word gehalveer. Halfleeftyd van plutonium, byvoorbeeld, is daar 'n vier en twintig duisend jaar. Maar bo en behalwe die natuurlike radioaktiwiteit, daar is ook gedwing. As bombardeer swaar alfa-deeltjie of neutron lig atoomkerne, hulle kraak. In hierdie geval is daar drie soorte ioniserende straling: alfadeeltjies, betadeeltjies, gammastrale. Betaverval van kerne lei tot 'n verandering in die beheer-eenheid. Alfadeeltjies neem die kern twee positrone. Gammastraling het geen beheer en die elektromagnetiese veld is nie gedeflekteer, maar het die hoogste indringende krag. kwantisering van energie kom voor in alle gevalle, die kern.

Oorlog en vrede

Lasers, X-strale, 'n studie van vaste stowwe en die sterre - al vreedsame toepassings van kennis oor kwanta. Maar ons wêreld is vol van bedreigings, en almal wil om hulself te beskerm. Wetenskap dien ook militêre doeleindes. Op selfs 'n wag het die wêreld suiwer teoretiese verskynsel as energie kwantisering. Sekere diskrete enige bestraling, byvoorbeeld, het die basis gevorm van kernwapens. Natuurlik, die toepassing daarvan toegeval bestry eenhede - waarskynlik die leser sal Hiroshima en Nagasaki onthou. Alle ander redes, druk die rooi knoppie gekoester dit was min of meer rustig. As dit is altyd die kwessie van radioaktiewe besoedeling van die omgewing. Byvoorbeeld, die half-lewe van plutonium hierbo aangedui maak die landskap waarin hierdie element kry ongeskik vir gebruik vir 'n baie lang tyd, byna geologiese epog.

Water en drade

Laat ons terugkeer na die vreedsame gebruik van kernreaksies. Dit, natuurlik, praat oor die produksie van elektrisiteit deur middel van kernsplyting. Hierdie proses lyk soos volg:

Die kern van die reaktor aanvanklik as die gratis neutrone en dan hulle getref 'n radio-aktiewe element (tipies uraan isotoop), wat 'n alfa of beta verval ondergaan.

Om hierdie reaksie nie geslaag het in stap onbeheerde, die reaktor kern bestaan uit 'n sogenaamde vertraers. As 'n reël, is dit gemaak van grafiet stokke, wat baie goed absorbeer neutrone. Deur die aanpassing van hul lengte, is dit moontlik om die tempo van die reaksie te monitor.

As gevolg hiervan, is een element omskep in 'n ander, die ongelooflike hoeveelheid energie vrygestel. Hierdie energie word geabsorbeer deur die blik vol sogenaamde swaar water (in plaas van waterstof deuterium molekules). As gevolg van kontak met die reaktor kern wat water swaar besmette produkte van radioaktiewe verval. Dat herwinning hierdie water is die grootste probleem van kernkrag op die oomblik.

In die eerste water kring geplaas tweede in die tweede - derde. Die water van die derde kring is reeds veilig om te gebruik, en dat dit blyk die turbine, wat elektrisiteit produseer.

Ten spyte van so 'n groot aantal van tussengangers tussen die energie direk vrygestel kerne en die eindgebruiker (laat ons nie vergeet van dekades van kilometers van drade, wat ook krag verlies), die reaksie gee ongelooflike krag. Byvoorbeeld, kan 'n kernkragsentrale elektrisiteit te voorsien aan die hele gebied met 'n verskeidenheid van nywerhede.