Šajā rakstā ir runāts par to, kas ir enerģijas kvantēšana un kāda ir šīs parādības nozīme mūsdienu zinātnē. Ir dota enerģijas diskrētuma atklāšanas vēsture, kā arī atomu kvantēšanas pielietojuma jomas.
Fizikas beigas
Deviņpadsmitā gadsimta beigās zinātnieki saskārās ar dilemmu: toreizējā tehnoloģiju attīstības līmenī tika atklāti, aprakstīti un pētīti visi iespējamie fizikas likumi. Skolēniem, kuriem bija augsti attīstītas spējas dabaszinātņu jomā, skolotāji neieteica izvēlēties fiziku. Viņi uzskatīja, ka tajā vairs nav iespējams kļūt slavenam, bija tikai rutīnas darbs, lai izpētītu sīkas sīkas detaļas. Tas bija vairāk piemērots uzmanīgam, nevis apdāvinātam cilvēkam. Tomēr fotogrāfija, kas vairāk bija izklaidējošs atklājums, lika aizdomāties. Viss sākās ar vienkāršām neatbilstībām. Sākumā izrādījās, ka gaisma nebija pilnīgi nepārtraukta: noteiktos apstākļos ūdeņraža degšana uz fotoplates atstāja virkni līniju, nevis vienu punktu. Turklāt izrādījās, ka hēlija spektros bijavairāk līniju nekā ūdeņraža spektri. Tad atklājās, ka dažu zvaigžņu taka atšķiras no citām. Un tīra zinātkāre piespieda pētniekus manuāli ievietot vienu pieredzi pēc otras, meklējot atbildes uz jautājumiem. Viņi nedomāja par savu atklājumu komerciālu izmantošanu.
Plāns un kvants
Mums par laimi šo izrāvienu fizikā pavadīja matemātikas attīstība. Jo notiekošā skaidrojums ietilpa neticami sarežģītās formulās. 1900. gadā Makss Planks, strādājot pie melnā ķermeņa starojuma teorijas, uzzināja, ka enerģija tiek kvantēta. Īsi aprakstiet šī paziņojuma nozīmi ir diezgan vienkārši. Jebkura elementārdaļiņa var atrasties tikai noteiktos stāvokļos. Ja mēs dodam aptuvenu modeli, tad šādu stāvokļu skaitītājs var uzrādīt skaitļus 1, 3, 8, 13, 29, 138. Un visas pārējās vērtības starp tām nav pieejamas. Iemeslus tam atklāsim nedaudz vēlāk. Tomēr, ja iedziļināties šī atklājuma vēsturē, ir vērts atzīmēt, ka pats zinātnieks līdz pat mūža beigām uzskatīja, ka enerģijas kvantēšana ir tikai ērts matemātisks triks, kas nav apveltīts ar nopietnu fizisku nozīmi.
Vilnis un Masa
Divdesmitā gadsimta sākums bija pilns ar atklājumiem, kas saistīti ar elementārdaļiņu pasauli. Bet lielais noslēpums bija šāds paradokss: dažos gadījumos daļiņas izturējās kā objekti ar masu (un attiecīgi arī impulsu), un dažos gadījumos kā vilnis. Pēc ilgām un spītīgām debatēm man nācās nonākt pie neticama secinājuma: elektroni, protoni unneitroniem ir šīs īpašības vienlaikus. Šo parādību sauca par korpuskulāro viļņu duālismu (krievu zinātnieku runā pirms divsimt gadiem daļiņu sauca par korpuskuli). Tādējādi elektrons ir noteikta masa, it kā iesmērēts noteiktas frekvences vilnī. Elektrons, kas griežas ap atoma kodolu, bezgalīgi uzliek savus viļņus vienu virs otra. Līdz ar to tikai noteiktos attālumos no centra (kas ir atkarīgi no viļņa garuma) elektronu viļņi, kas rotē, viens otru neizdzēš. Tas notiek, kad viļņa elektrona "galva" ir uzlikta uz tā "astes", maksimumi sakrīt ar maksimumiem un minimumi sakrīt ar minimumiem. Tas izskaidro atoma enerģijas kvantēšanu, tas ir, stingri noteiktu orbītu klātbūtni tajā, uz kurām var pastāvēt elektrons.
Sfērisks nanozirgs vakuumā
Tomēr reālas sistēmas ir neticami sarežģītas. Ievērojot iepriekš aprakstīto loģiku, joprojām var saprast elektronu orbītu sistēmu ūdeņražā un hēlijā. Tomēr jau ir nepieciešami sarežģīti aprēķini. Lai uzzinātu, kā tos saprast, mūsdienu studenti pēta daļiņu enerģijas kvantēšanu potenciālā akā. Sākumā tiek izvēlēta ideālas formas aka un viena modeļa elektrons. Viņiem viņi atrisina Šrēdingera vienādojumu, atrod enerģijas līmeņus, kuros var atrasties elektrons. Pēc tam viņi iemācās meklēt atkarības, ieviešot arvien vairāk mainīgo: urbuma platums un dziļums, elektrona enerģija un frekvence zaudē noteiktību, pievienojot vienādojumiem sarežģītību. Tālākmainās bedres forma (piemēram, tā kļūst kvadrātveida vai robaina profilā, tās malas zaudē simetriju), tiek ņemtas hipotētiskas elementārdaļiņas ar noteiktām īpašībām. Un tikai tad viņi iemācās atrisināt problēmas, kas saistītas ar reālu atomu un vēl sarežģītāku sistēmu starojuma enerģijas kvantēšanu.
Momentums, leņķiskais impulss
Tomēr, teiksim, elektrona enerģijas līmenis ir vairāk vai mazāk saprotams lielums. Tā vai citādi visi iedomājas, ka lielāka centrālās apkures akumulatoru enerģija atbilst augstākai temperatūrai dzīvoklī. Attiecīgi enerģijas kvantēšanu joprojām var iedomāties spekulatīvi. Fizikā ir arī intuitīvi grūti uztverami jēdzieni. Makrokosmosā impulss ir ātruma un masas reizinājums (neaizmirstiet, ka ātrums, tāpat kā impulss, ir vektora lielums, tas ir, tas ir atkarīgs no virziena). Pateicoties impulsam, ir skaidrs, ka lēni lidojošs vidēja izmēra akmens atstās zilumu tikai tad, ja tas trāpīs cilvēkam, savukārt maza, lielā ātrumā izšauta lode caurdurs ķermeni cauri un cauri. Mikrokosmosā impulss ir tāds lielums, kas raksturo daļiņas saikni ar apkārtējo telpu, kā arī tās spēju kustēties un mijiedarboties ar citām daļiņām. Pēdējais ir tieši atkarīgs no enerģijas. Tādējādi kļūst skaidrs, ka daļiņas enerģijas un impulsa kvantēšanai ir jābūt savstarpēji saistītai. Turklāt konstante h, kas apzīmē mazāko iespējamo fizikālās parādības daļu un parāda lielumu diskrētumu, ir iekļauta formulā undaļiņu enerģija un impulss nanopasaulē. Bet ir jēdziens, kas ir vēl tālāks no intuitīvās apzināšanās – impulsa moments. Tas attiecas uz rotējošiem ķermeņiem un norāda, kāda masa un ar kādu leņķisko ātrumu griežas. Atcerieties, ka leņķiskais ātrums norāda griešanās apjomu laika vienībā. Leņķiskais impulss spēj arī pateikt, kā tiek sadalīta rotējoša ķermeņa viela: objektiem ar vienādu masu, bet koncentrēti rotācijas ass tuvumā vai perifērijā, būs atšķirīgs leņķiskais impulss. Kā lasītājs jau droši vien nojauš, atoma pasaulē leņķiskā impulsa enerģija tiek kvantificēta.
Kvanti un lāzers
Enerģijas un citu lielumu diskrētuma atklāšanas ietekme ir acīmredzama. Detalizēta pasaules izpēte ir iespējama tikai pateicoties kvantam. Mūsdienu matērijas izpētes metodes, dažādu materiālu izmantošana un pat zinātne par to radīšanu ir dabisks turpinājums izpratnei, kas ir enerģijas kvantēšana. Darbības princips un lāzera izmantošana nav izņēmums. Kopumā lāzers sastāv no trim galvenajiem elementiem: darba šķidruma, sūknēšanas un atstarojoša spoguļa. Darba šķidrums ir izvēlēts tā, lai tajā pastāvētu divi relatīvi tuvi elektronu līmeņi. Vissvarīgākais kritērijs šiem līmeņiem ir uz tiem esošo elektronu kalpošanas laiks. Tas ir, cik ilgi elektrons spēj noturēties noteiktā stāvoklī, pirms pāriet uz zemāku un stabilāku stāvokli. No diviem līmeņiem augšējam vajadzētu būt ilgāk nodzīvotajam. Tad sūknēšana (bieži vien ar parasto lampu, dažreiz ar infrasarkano lampu) dod elektronuspietiekami daudz enerģijas, lai viņi visi savāktos augstākajā enerģijas līmenī un tur uzkrātos. To sauc par apgrieztā līmeņa populāciju. Turklāt kāds elektrons pāriet zemākā un stabilākā stāvoklī ar fotona emisiju, kas izraisa visu elektronu sadalīšanos lejup. Šī procesa īpatnība ir tāda, ka visiem iegūtajiem fotoniem ir vienāds viļņa garums un tie ir koherenti. Tomēr darba korpuss, kā likums, ir diezgan liels, un tajā tiek ģenerētas plūsmas, kas virzītas dažādos virzienos. Atstarojošā spoguļa uzdevums ir filtrēt tikai tās fotonu plūsmas, kas ir vērstas vienā virzienā. Rezultātā izeja ir šaurs intensīvs koherentu viļņu stars ar tādu pašu viļņa garumu. Sākumā tas tika uzskatīts par iespējamu tikai cietā stāvoklī. Pirmajam lāzeram kā darba vide bija mākslīgais rubīns. Tagad ir visu veidu un veidu lāzeri - uz šķidrumiem, gāzēm un pat uz ķīmiskām reakcijām. Kā redz lasītājs, galveno lomu šajā procesā spēlē atoma gaismas absorbcija un emisija. Šajā gadījumā enerģijas kvantēšana ir tikai pamats teorijas aprakstīšanai.
Gaisma un elektroni
Atgādiniet, ka elektrona pāreju atomā no vienas orbītas uz otru pavada enerģijas emisija vai absorbcija. Šī enerģija parādās gaismas kvanta vai fotona formā. Formāli fotons ir daļiņa, taču tas atšķiras no citiem nanopasaules iemītniekiem. Fotonam nav masas, bet tam ir impulss. To 1899. gadā pierādīja krievu zinātnieks Ļebedevs, skaidri demonstrējot gaismas spiedienu. Fotons pastāv tikai kustībā un tā ātrumāvienāds ar gaismas ātrumu. Tas ir ātrākais iespējamais objekts mūsu Visumā. Gaismas ātrums (parasti apzīmēts ar mazo latīņu "c") ir aptuveni trīssimt tūkstoši kilometru sekundē. Piemēram, mūsu galaktikas izmērs (nav lielākā kosmosa izteiksmē) ir aptuveni simts tūkstoši gaismas gadu. Saduroties ar matēriju, fotons pilnībā piešķir tai savu enerģiju, it kā šajā gadījumā izšķīst. Fotona enerģija, kas tiek atbrīvota vai absorbēta, elektronam pārvietojoties no vienas orbītas uz otru, ir atkarīga no attāluma starp orbītām. Ja tas ir mazs, tiek izstarots infrasarkanais starojums ar zemu enerģiju, ja tas ir liels, tiek iegūts ultravioletais starojums.
Rentgens un gamma starojums
Elektromagnētiskā skala pēc ultravioletā starojuma satur rentgena un gamma starojumu. Kopumā tie pārklājas viļņa garumā, frekvencē un enerģijā diezgan plašā diapazonā. Tas ir, ir rentgenstaru fotons ar viļņa garumu 5 pikometri un gamma fotons ar tādu pašu viļņa garumu. Tās atšķiras tikai ar to, kā tās tiek saņemtas. Rentgenstari rodas ļoti ātru elektronu klātbūtnē, un gamma starojums tiek iegūts tikai atomu kodolu sabrukšanas un saplūšanas procesos. Rentgenstaru iedala mīkstajā (izmanto, lai parādītu cilvēka plaušas un kaulus) un cietajā (parasti nepieciešama tikai rūpnieciskiem vai pētniecības nolūkiem). Ja jūs ļoti spēcīgi paātrinat elektronu un pēc tam strauji palēnināsit (piemēram, novirzot to cietā ķermenī), tad tas izstaros rentgenstaru fotonus. Kad šādi elektroni saduras ar vielu, mērķa atomi izlaužaselektroni no apakšējiem apvalkiem. Šajā gadījumā augšējo čaulu elektroni ieņem savu vietu, arī pārejas laikā izstaro rentgenstarus.
Gamma kvanti rodas citos gadījumos. Atomu kodoli, lai gan tie sastāv no daudzām elementārdaļiņām, ir arī maza izmēra, kas nozīmē, ka tiem ir raksturīga enerģijas kvantēšana. Kodolu pāreju no ierosinātā stāvokļa uz zemāku stāvokli precīzi pavada gamma staru emisija. Notiek jebkura kodolu sabrukšanas vai saplūšanas reakcija, tostarp ar gamma fotonu parādīšanos.
Kodolreakcija
Nedaudz augstāk minējām, ka arī atomu kodoli pakļaujas kvantu pasaules likumiem. Bet dabā ir vielas ar tik lieliem kodoliem, ka tie kļūst nestabili. Tie mēdz sadalīties mazākos un stabilākos komponentos. Tie, kā lasītājs droši vien jau nojauš, ietver, piemēram, plutoniju un urānu. Kad mūsu planēta veidojās no protoplanetāra diska, tajā bija noteikts daudzums radioaktīvo vielu. Laika gaitā tie sabruka, pārvēršoties citos ķīmiskos elementos. Bet tomēr zināms daudzums nesabrukušā urāna ir saglabājies līdz mūsdienām, un pēc tā daudzuma var spriest, piemēram, par Zemes vecumu. Ķīmiskiem elementiem, kuriem ir dabiska radioaktivitāte, ir tāda īpašība kā pussabrukšanas periods. Šis ir laika periods, kurā atlikušo šāda veida atomu skaits tiks samazināts uz pusi. Piemēram, plutonija pussabrukšanas periods ir divdesmit četri tūkstoši gadu. Tomēr papildus dabiskajai radioaktivitātei ir arī piespiedu. Bombardējot ar smagajām alfa daļiņām vai viegliem neitroniem, atomu kodoli sadalās. Šajā gadījumā izšķir trīs jonizējošā starojuma veidus: alfa daļiņas, beta daļiņas, gamma starus. Beta sabrukšanas rezultātā kodola lādiņš mainās par vienu. Alfa daļiņas no kodola paņem divus pozitronus. Gamma starojumam nav lādiņa, un to nenovirza elektromagnētiskais lauks, taču tam ir vislielākā iespiešanās spēja. Enerģijas kvantēšana notiek visos kodolsabrukšanas gadījumos.
Karš un miers
Lāzeri, rentgenstari, cietvielu un zvaigžņu izpēte - tas viss ir miermīlīgs zināšanu pielietojums par kvantiem. Tomēr mūsu pasaule ir pilna ar draudiem, un ikviens cenšas sevi aizsargāt. Zinātne kalpo arī militāriem mērķiem. Pat tāda tīri teorētiska parādība kā enerģijas kvantēšana ir nostādīta pasaules sardzē. Piemēram, jebkura starojuma diskrētuma definīcija veidoja kodolieroču pamatu. Protams, ir tikai daži tās kaujas pielietojumi – lasītājs droši vien atceras Hirosimu un Nagasaki. Visi pārējie iemesli, lai nospiestu kāroto sarkano pogu, bija vairāk vai mazāk mierīgi. Tāpat vienmēr pastāv jautājums par vides radioaktīvo piesārņojumu. Piemēram, iepriekš norādītais plutonija pussabrukšanas periods padara ainavu, kurā šis elements nonāk, neizmantojamu ļoti ilgu laiku, gandrīz par ģeoloģisko laikmetu.
Ūdens un vadi
Atgriezīsimies pie kodolreakciju izmantošanas miermīlīgiem nolūkiem. Mēs, protams, runājam par elektroenerģijas ražošanu kodola skaldīšanas ceļā. Process izskatās šādi:
PamatāReaktorā vispirms parādās brīvie neitroni, bet pēc tam tie ietriecas radioaktīvajā elementā (parasti urāna izotopā), kas tiek pakļauts alfa vai beta sabrukšanai.
Lai šī reakcija nenonāktu nekontrolējamā stadijā, reaktora kodolā ir tā sauktie moderatori. Parasti tie ir grafīta stieņi, kas ļoti labi absorbē neitronus. Pielāgojot to garumu, varat uzraudzīt reakcijas ātrumu.
Tā rezultātā viens elements pārvēršas par otru, un tiek atbrīvots neticami daudz enerģijas. Šo enerģiju absorbē trauks, kas piepildīts ar tā saukto smago ūdeni (ūdeņraža vietā deitērija molekulās). Saskaroties ar reaktora serdi, šis ūdens ir stipri piesārņots ar radioaktīviem sabrukšanas produktiem. Tieši šī ūdens apglabāšana ir šī brīža lielākā kodolenerģijas problēma.
Otrais tiek ievietots pirmajā ūdens kontūrā, trešais ir ievietots otrajā. Trešā kontūra ūdens jau ir droši lietojams, un tieši viņa griež turbīnu, kas ģenerē elektrību.
Neskatoties uz tik lielu starpnieku skaitu starp tieši ģenerējošajiem serdeņiem un gala patērētāju (neaizmirsīsim desmitiem kilometru garos vadus, kas arī zaudē jaudu), šī reakcija nodrošina neticamu jaudu. Piemēram, viena atomelektrostacija var piegādāt elektrību visai teritorijai ar daudzām nozarēm.
