Ten artykuł mówi o tym, czym jest kwantyzacja energii i jakie znaczenie ma to zjawisko dla współczesnej nauki. Podano historię odkrycia dyskretności energii oraz obszary zastosowania kwantyzacji atomów.
Koniec fizyki
Pod koniec XIX wieku naukowcy stanęli przed dylematem: na ówczesnym poziomie rozwoju technologii odkryto, opisano i zbadano wszystkie możliwe prawa fizyki. Uczniom, którzy mieli wysoko rozwinięte umiejętności w zakresie nauk przyrodniczych, nauczyciele nie doradzali wyboru fizyki. Uważali, że nie można już stać się sławnym, była tylko rutynowa praca, aby zbadać drobne, drobne szczegóły. To było bardziej odpowiednie dla uważnej osoby niż dla uzdolnionej. Jednak zdjęcie, które było bardziej zabawnym odkryciem, dało powód do myślenia. Wszystko zaczęło się od prostych niespójności. Na początku okazało się, że światło nie było całkowicie ciągłe: w pewnych warunkach spalanie wodoru pozostawiało na kliszy fotograficznej szereg linii zamiast pojedynczej plamki. Dalej okazało się, że widma helu miaływięcej linii niż widmo wodoru. Wtedy okazało się, że ślad niektórych gwiazd różni się od innych. A czysta ciekawość zmusiła badaczy do ręcznego umieszczania jednego doświadczenia po drugim w poszukiwaniu odpowiedzi na pytania. Nie myśleli o komercyjnym zastosowaniu swoich odkryć.
Planck i kwant
Na szczęście dla nas temu przełomowi w fizyce towarzyszył rozwój matematyki. Ponieważ wyjaśnienie tego, co się działo, mieściło się w niewiarygodnie skomplikowanych formułach. W 1900 roku Max Planck, pracujący nad teorią promieniowania ciała doskonale czarnego, odkrył, że energia jest skwantowana. Krótko opisz znaczenie tego stwierdzenia jest dość proste. Każda cząstka elementarna może znajdować się tylko w określonych stanach. Jeśli podajemy przybliżony model, to licznik takich stanów może pokazywać liczby 1, 3, 8, 13, 29, 138. A wszystkie inne wartości między nimi są niedostępne. Powody tego ujawnimy nieco później. Jeśli jednak zagłębisz się w historię tego odkrycia, to warto zauważyć, że sam naukowiec do końca życia uważał kwantyzację energii za jedynie wygodną sztuczkę matematyczną, nie obdarzoną poważnym znaczeniem fizycznym.
Fala i masa
Początek XX wieku był pełen odkryć związanych ze światem cząstek elementarnych. Ale wielką tajemnicą był następujący paradoks: w niektórych przypadkach cząstki zachowywały się jak obiekty o masie (i odpowiednio pędzie), aw niektórych przypadkach jak fala. Po długiej i upartej debacie musiałem dojść do niewiarygodnego wniosku: elektrony, protony i…neutrony mają jednocześnie te właściwości. Zjawisko to nazwano dualizmem korpuskularno-falowym (w przemówieniu rosyjskich naukowców dwieście lat temu cząstkę nazwano korpuskułą). Tak więc elektron jest pewną masą, jakby rozmazany w fali o określonej częstotliwości. Elektron, który krąży wokół jądra atomu, bez końca nakłada na siebie swoje fale. W konsekwencji, tylko w pewnych odległościach od centrum (które zależą od długości fali) wirujące fale elektronowe nie znoszą się nawzajem. Dzieje się tak, gdy „głowa” elektronu falowego nakłada się na jego „ogon”, maksima pokrywają się z maksimami, a minima pokrywają się z minimami. To tłumaczy kwantyzację energii atomu, czyli obecność w nim ściśle określonych orbit, na których może istnieć elektron.
Sferyczny nanokoń w próżni
Jednak rzeczywiste systemy są niezwykle złożone. Postępując zgodnie z opisaną powyżej logiką, nadal można zrozumieć układ orbit elektronów w wodorze i helu. Jednak wymagane są już dalsze złożone obliczenia. Aby nauczyć się je rozumieć, współcześni studenci badają kwantyzację energii cząstek w studni potencjału. Na początek wybiera się idealnie ukształtowaną studnię i pojedynczy model elektronu. Dla nich rozwiązują równanie Schrödingera, znajdują poziomy energii, na których może znajdować się elektron. Następnie uczą się szukać zależności, wprowadzając coraz więcej zmiennych: szerokość i głębokość studni, energia i częstotliwość elektronu tracą pewność, zwiększając złożoność równań. Dalejzmienia się kształt wgłębienia (na przykład staje się kwadratowy lub postrzępiony z profilu, jego krawędzie tracą symetrię), pobierane są hipotetyczne cząstki elementarne o określonych cechach. I dopiero wtedy uczą się rozwiązywać problemy polegające na kwantowaniu energii promieniowania rzeczywistych atomów i jeszcze bardziej złożonych układów.
Pręd, moment pędu
Jednak poziom energii, powiedzmy, elektronu jest mniej lub bardziej zrozumiałą wielkością. Tak czy inaczej, każdy wyobraża sobie, że wyższa energia baterii centralnego ogrzewania odpowiada wyższej temperaturze w mieszkaniu. W związku z tym kwantyzację energii można nadal wyobrażać sobie w sposób spekulacyjny. W fizyce są też pojęcia, które są trudne do zrozumienia intuicyjnie. W makrokosmosie pęd jest iloczynem prędkości i masy (nie zapominaj, że prędkość, podobnie jak pęd, jest wielkością wektorową, czyli zależy od kierunku). To dzięki pędowi jasne jest, że wolno lecący średniej wielkości kamień pozostawi siniak tylko wtedy, gdy trafi osobę, podczas gdy mała kula wystrzelona z dużą prędkością przebije ciało na wskroś. W mikrokosmosie pęd jest taką wielkością, która charakteryzuje połączenie cząstki z otaczającą przestrzenią, a także jej zdolność do poruszania się i oddziaływania z innymi cząsteczkami. Ta ostatnia zależy bezpośrednio od energii. W ten sposób staje się jasne, że kwantyzacja energii i pędu cząstki muszą być ze sobą powiązane. Co więcej, stała h, oznaczająca najmniejszą możliwą część zjawiska fizycznego i pokazująca dyskretność wielkości, jest zawarta we wzorze ienergia i pęd cząstek w nanoświecie. Istnieje jednak pojęcie jeszcze bardziej odległe od świadomości intuicyjnej – moment impulsu. Odnosi się do ciał wirujących i wskazuje z jaką masą iz jaką prędkością kątową się kręci. Przypomnijmy, że prędkość kątowa wskazuje wielkość obrotu na jednostkę czasu. Moment pędu jest również w stanie określić sposób rozmieszczenia substancji wirującego ciała: obiekty o tej samej masie, ale skoncentrowane w pobliżu osi obrotu lub na obwodzie, będą miały inny moment pędu. Jak czytelnik zapewne się domyśla, w świecie atomu energia momentu pędu jest kwantowana.
Kwanty i laser
Wpływ odkrycia dyskretności energii i innych wielkości jest oczywisty. Szczegółowe badanie świata możliwe jest tylko dzięki kwantowi. Współczesne metody badania materii, wykorzystanie różnych materiałów, a nawet nauka ich tworzenia są naturalną kontynuacją zrozumienia, czym jest kwantyzacja energii. Zasada działania i użycie lasera nie jest wyjątkiem. Generalnie laser składa się z trzech głównych elementów: płynu roboczego, pompującego i odbijającego lustro. Płyn roboczy dobierany jest w taki sposób, aby istniały w nim dwa stosunkowo bliskie poziomy dla elektronów. Najważniejszym kryterium dla tych poziomów jest czas życia elektronów na nich. To znaczy, jak długo elektron jest w stanie utrzymać się w określonym stanie, zanim przejdzie do niższej i bardziej stabilnej pozycji. Spośród dwóch poziomów górny powinien być dłużej mieszkalny. Następnie pompowanie (często zwykłą lampą, czasem podczerwoną) daje elektronywystarczająco dużo energii, aby wszystkie zgromadziły się na najwyższym poziomie energii i tam się zgromadziły. Nazywa się to populacją odwrotnego poziomu. Co więcej, jeden elektron przechodzi w niższy i bardziej stabilny stan z emisją fotonu, co powoduje przebicie wszystkich elektronów w dół. Osobliwością tego procesu jest to, że wszystkie powstałe fotony mają tę samą długość fali i są spójne. Jednak korpus roboczy z reguły jest dość duży i generowane są w nim przepływy skierowane w różnych kierunkach. Rolą zwierciadła odbijającego jest odfiltrowanie tylko tych strumieni fotonów, które są skierowane w jednym kierunku. W rezultacie wyjście jest wąską intensywną wiązką spójnych fal o tej samej długości fali. Początkowo uważano to za możliwe tylko w stanie stałym. Pierwszy laser miał jako środek roboczy sztuczny rubin. Obecnie istnieją lasery wszelkiego rodzaju i typu - na ciecze, gazy, a nawet reakcje chemiczne. Jak widzi Czytelnik, główną rolę w tym procesie odgrywa absorpcja i emisja światła przez atom. W tym przypadku kwantyzacja energii jest jedynie podstawą opisu teorii.
Światło i elektron
Przypomnij sobie, że przejściu elektronu w atomie z jednej orbity na drugą towarzyszy albo emisja, albo absorpcja energii. Energia ta pojawia się w postaci kwantu światła lub fotonu. Formalnie foton jest cząsteczką, ale różni się od innych mieszkańców nanoświata. Foton nie ma masy, ale ma pęd. Udowodnił to rosyjski naukowiec Lebiediew w 1899 roku, wyraźnie demonstrując ciśnienie światła. Foton istnieje tylko w ruchu i jego prędkościrówna prędkości światła. To najszybszy możliwy obiekt w naszym wszechświecie. Prędkość światła (standardowo oznaczana małym łacińskim „c”) wynosi około trzystu tysięcy kilometrów na sekundę. Na przykład rozmiar naszej galaktyki (nie największy w przestrzeni kosmicznej) wynosi około stu tysięcy lat świetlnych. Foton zderzając się z materią oddaje jej całkowicie swoją energię, jakby się w tym przypadku rozpuszczał. Energia fotonu, która jest uwalniana lub pochłaniana, gdy elektron przemieszcza się z jednej orbity na drugą, zależy od odległości między orbitami. Jeśli jest mały, emitowane jest promieniowanie podczerwone o niskiej energii, jeśli jest duże, otrzymuje się ultrafiolet.
Promieniowanie rentgenowskie i gamma
Skala elektromagnetyczna po ultrafiolecie zawiera promieniowanie rentgenowskie i gamma. Generalnie pokrywają się one pod względem długości fali, częstotliwości i energii w dość szerokim zakresie. Oznacza to, że istnieje foton rentgenowski o długości fali 5 pikometrów i foton gamma o tej samej długości fali. Różnią się tylko sposobem ich odbioru. Promienie rentgenowskie występują w obecności bardzo szybkich elektronów, a promieniowanie gamma uzyskuje się tylko w procesach rozpadu i fuzji jąder atomowych. Rentgen dzieli się na miękkie (używając go do prześwitywania przez płuca i kości człowieka) i twarde (zwykle potrzebne tylko do celów przemysłowych lub badawczych). Jeśli bardzo mocno przyspieszysz elektron, a następnie gwałtownie go spowolnisz (na przykład kierując go w ciało stałe), wyemituje on fotony rentgenowskie. Kiedy takie elektrony zderzają się z materią, atomy docelowe wybuchająelektrony z niższych powłok. W tym przypadku ich miejsce zajmują elektrony z górnych powłok, które również emitują promieniowanie rentgenowskie podczas przejścia.
Kwanty gamma występują w innych przypadkach. Jądra atomów, choć składają się z wielu cząstek elementarnych, są również niewielkich rozmiarów, co oznacza, że charakteryzują się kwantyzacją energii. Przechodzeniu jąder ze stanu wzbudzonego do stanu niższego towarzyszy właśnie emisja promieni gamma. Zachodzi każda reakcja rozpadu lub fuzji jąder, w tym pojawienie się fotonów gamma.
Reakcja jądrowa
Nieco wyżej wspomnieliśmy, że jądra atomowe przestrzegają również praw świata kwantowego. Ale w naturze są substancje o tak dużych jądrach, że stają się niestabilne. Mają tendencję do rozkładania się na mniejsze i bardziej stabilne elementy. Do tych, jak zapewne czytelnik już się domyśla, należą np. pluton i uran. Kiedy nasza planeta uformowała się z dysku protoplanetarnego, miała w sobie pewną ilość substancji radioaktywnych. Z biegiem czasu ulegały rozkładowi, zamieniając się w inne pierwiastki chemiczne. Jednak pewna ilość nierozłożonego uranu przetrwała do dziś, a po jego ilości można ocenić np. wiek Ziemi. W przypadku pierwiastków chemicznych, które mają naturalną radioaktywność, istnieje taka cecha, jak okres półtrwania. Jest to okres czasu, w którym liczba pozostałych atomów tego typu zostanie zmniejszona o połowę. Na przykład okres półtrwania plutonu występuje za dwadzieścia cztery tysiące lat. Jednak oprócz promieniotwórczości naturalnej jest też wymuszona. Podczas bombardowania ciężkimi cząstkami alfa lub lekkimi neutronami jądra atomów rozpadają się. W tym przypadku rozróżnia się trzy rodzaje promieniowania jonizującego: cząstki alfa, cząstki beta, promienie gamma. Rozpad beta powoduje zmianę ładunku jądrowego o jeden. Cząstki alfa pobierają z jądra dwa pozytony. Promieniowanie gamma nie ma ładunku i nie jest odchylane przez pole elektromagnetyczne, ale ma największą siłę przenikania. Kwantyzacja energii występuje we wszystkich przypadkach rozpadu jądrowego.
Wojna i pokój
Lasery, promienie rentgenowskie, badanie ciał stałych i gwiazd - wszystko to są pokojowe zastosowania wiedzy o kwantach. Jednak nasz świat jest pełen zagrożeń i każdy stara się chronić siebie. Nauka służy również celom wojskowym. Nawet tak czysto teoretyczne zjawisko jak kwantyzacja energii zostało postawione na straży świata. Na przykład definicja dyskretności dowolnego promieniowania stanowiła podstawę broni jądrowej. Jego zastosowań bojowych jest oczywiście tylko kilka – czytelnik zapewne pamięta Hiroszimę i Nagasaki. Wszystkie inne powody do wciśnięcia upragnionego czerwonego przycisku były mniej lub bardziej spokojne. Ponadto zawsze pojawia się kwestia skażenia radioaktywnego środowiska. Na przykład wskazany powyżej okres połowicznego rozpadu plutonu sprawia, że krajobraz, w którym ten pierwiastek wkracza, jest przez bardzo długi czas bezużyteczny, prawie w epoce geologicznej.
Woda i przewody
Wróćmy do pokojowego wykorzystania reakcji jądrowych. Mówimy oczywiście o wytwarzaniu energii elektrycznej przez rozszczepienie jądrowe. Proces wygląda tak:
W rdzeniuW reaktorze najpierw pojawiają się wolne neutrony, a następnie uderzają w pierwiastek radioaktywny (zwykle izotop uranu), który ulega rozpadowi alfa lub beta.
Aby zapobiec przejściu tej reakcji w niekontrolowany etap, rdzeń reaktora zawiera tak zwane moderatory. Z reguły są to pręty grafitowe, które bardzo dobrze pochłaniają neutrony. Dostosowując ich długość, możesz monitorować szybkość reakcji.
W rezultacie jeden element zamienia się w inny i uwalniana jest niesamowita ilość energii. Energia ta jest pochłaniana przez pojemnik wypełniony tzw. ciężką wodą (zamiast wodoru w cząsteczkach deuteru). W wyniku kontaktu z rdzeniem reaktora woda ta jest silnie zanieczyszczona radioaktywnymi produktami rozpadu. To właśnie usuwanie tej wody jest obecnie największym problemem energetyki jądrowej.
Drugi jest umieszczany w pierwszym obiegu wody, trzeci jest umieszczany w drugim. Woda trzeciego obiegu jest już bezpieczna w użyciu i to ona obraca turbinę, która wytwarza prąd.
Pomimo tak dużej liczby pośredników pomiędzy bezpośrednio generującymi rdzeniami a odbiorcą końcowym (nie zapominajmy o dziesiątkach kilometrów przewodów, które również tracą moc), taka reakcja zapewnia niesamowitą moc. Na przykład jedna elektrownia jądrowa może dostarczać energię elektryczną do całego obszaru z wieloma gałęziami przemysłu.
