Pengkuantuman tenaga elektron dalam atom. Satu kaedah menghasilkan tenaga dalam reaktor oleh neutron perlahan

Artikel ini bercakap tentang apa pengkuantuman tenaga dan kepentingan fenomena ini adalah untuk sains moden. Ia menunjukkan sejarah penemuan discreteness tenaga, dan juga menunjukkan skop atom terkuantum.

Akhir fizik

Pada abad kesembilan belas lewat, dilema yang dihadapi oleh ahli-ahli sains: tahap sedia ada teknologi, semua undang-undang mungkin fizik ditemui, diterangkan dan dikaji. Pelajar yang mempunyai kebolehan yang sangat maju dalam bidang sains, guru dinasihatkan supaya tidak memilih fizik. Mereka percaya bahawa memuliakan-Nya tidak mungkin lagi, hanya terdapat kerja-kerja rutin untuk kajian butir-butir kecil kecil. Akan tetapi manusia berhati-hati lebih sesuai, tidak berbakat. Walau bagaimanapun, gambar yang lebih menghiburkan adalah penemuan itu memberi kesempatan untuk berfikir. Semuanya bermula dengan tidak konsisten mudah. Untuk memulakan, ternyata bahawa cahaya tidak cukup pepejal: dalam keadaan tertentu, pembakaran hidrogen ditinggalkan di nombor plat garisan bukan hanya satu tempat. Selain itu, ia telah mendapati bahawa spektrum helium mempunyai lebih talian daripada hidrogen spektrum. Kemudian ia telah mendapati bahawa jejak satu bintang adalah berbeza dari yang lain. Dan rasa ingin tahu tulen dipaksa penyelidik secara manual meletakkan satu pengalaman demi satu untuk mencari jawapan kepada soalan-soalan. Mengenai penggunaan komersial penemuan-penemuan mereka, mereka tidak memikirkan.

Planck dan kuantum

Nasib baik untuk kita, kejayaan ini dalam fizik diiringi oleh pembangunan matematik. Kerana penjelasan apa yang berlaku patut ke dalam formula yang amat kompleks. Pada tahun 1900, Maks Plank, bekerja pada teori sinaran badan benar-benar hitam, mendapati tenaga yang terkuantum. Secara ringkas memberitahu kita tentang makna kenyataan ini adalah agak mudah. Apa-apa zarah asas hanya boleh dalam beberapa keadaan tertentu. Jika menyebabkan model kasar, kaunter itu boleh menunjukkan negeri-negeri seperti 1, 3, 8, 13, 29, 138. Semua nilai-nilai lain yang tidak boleh didapati di antara mereka. Sebab-sebab ini kita akan mendedahkan kemudian. Walau bagaimanapun, jika anda menyelam ke dalam kisah penemuan ini, ia adalah diperhatikan bahawa ahli sains dianggap pengkuantuman tenaga akhir hayat hanya helah matematik mudah, tidak dikurniakan dengan rasa fizikal yang serius.

Gelombang dan berat

Awal abad kedua puluh adalah penuh dengan penemuan yang berkaitan dengan dunia zarah asas. Tetapi misteri terbesar adalah paradoks berikut: dalam beberapa kes, zarah berkelakuan seperti objek dengan jisim (dan dengan itu momentum), dan beberapa - seperti gelombang. Selepas pertikaian panjang dan berterusan telah datang kepada kesimpulan mustahil: elektron, proton dan neutron mempunyai sifat-sifat ini pada masa yang sama. Fenomena ini dipanggil dualiti gelombang-zarah (dalam ucapan saintis Rusia dua ratus tahun yang lalu corpuscle dipanggil zarah). Oleh itu, elektron adalah jisim tertentu, kerana ia telah berlumur dalam gelombang frekuensi tertentu. Elektronik yang berputar mengelilingi nukleus atom, tak terhingga mengenakan baur antara satu dengan lain. Akibatnya, hanya pada jarak tertentu dari pusat (yang bergantung kepada panjang gelombang), elektron berputar gelombang, tidak membatalkan satu sama lain. Ini berlaku apabila di mengenakan "kepala" gelombang elektron pada "ekor" tertinggi yang bertepatan dengan maksimum dan minimum - minimum. Ini menjelaskan pengkuantuman tenaga atom, iaitu, kehadiran orbit yang jelas di mana elektron boleh wujud.

nanokon sfera dalam vacuo

Walau bagaimanapun, sistem sebenar adalah sangat kompleks. Mentaati logik yang diterangkan di atas boleh selanjutnya difahamkan sistem orbit elektron dalam hidrogen dan helium. Walau bagaimanapun, selepas itu keperluan dan bukan pengiraan kompleks. Untuk mengetahui bagaimana untuk memahami pelajar moden belajar tenaga pengkuantuman zarah dalam telaga yang berpotensi. Untuk memulakan, memilih bentuk yang sesuai untuk lubang dan model elektron tunggal. Untuk menyelesaikan persamaan Schrödinger adalah tahap tenaga di mana elektron boleh. Selepas belajar untuk mencari kebergantungan, memperkenalkan lebih banyak pembolehubah: lebar dan kedalaman telaga, tenaga dan kekerapan elektron kehilangan definiteness, sambil menambah persamaan kerumitan. pit lagi bentuk yang diubah (cth, ia menjadi profil persegi atau bergigi, tepi kehilangan simetri), diambil zarah asas yang dibayangkan dengan ciri-ciri yang dikehendaki. Dan barulah belajar untuk menyelesaikan masalah di mana muncul pengkuantuman tenaga sinaran atom sebenar dan sistem yang lebih kompleks.

momentum Impulse

Walau bagaimanapun, tahap tenaga, sebagai contoh, elektron - adalah lebih atau kurang jelas nilai. Semua, dalam satu cara atau lain, tetapi ia seolah-olah bahawa semakin tinggi tenaga bateri pemanasan pusat, semakin tinggi suhu di dalam apartmen. Oleh itu, pengkuantuman tenaga masih boleh bayangkan fikiran. Terdapat juga konsep dalam fizik yang masuk akal intuitif sukar. momentum adalah produk kelajuan makro ke tanah (lupa bahawa kelajuan dan momentum kedua-dua - vektor magnitud, iaitu bebas daripada arah itu). Ia adalah disebabkan oleh gerak hati adalah jelas bahawa nilai purata perlahan-lahan terbang batu yang meninggalkan lebam, jika anda jatuh ke seorang lelaki, kemudian sebagai peluru kecil, menembak pada kelajuan tinggi, memecah melalui badan. Dalam nadi yang sama mikro - ini adalah satu kuantiti yang menyifatkan hubungan zarah dengan ruang sekeliling, serta mengemudi hartanya dan berinteraksi dengan zarah lain. Yang terakhir adalah secara langsung bergantung kepada tenaga. Oleh itu, ia menjadi jelas bahawa pengkuantuman tenaga dan momentum zarah itu perlu saling berkaitan. Selain itu, h yang tetap, yang menunjukkan bahagian yang paling rendah fenomena fizikal dan menunjukkan nilai-nilai diskret termasuk dalam formula dan tenaga dan momentum zarah dalam nanoworld itu. Tetapi ada satu konsep yang lebih jauh dari kesedaran intuitif - momentum. Ia merujuk kepada badan-badan berputar dan bermakna apa jisim dan halaju sudut yang berputar. Recall, halaju sudut menunjukkan magnitud putaran per unit masa. Momentum sudut juga dapat melaporkan pengagihan, bahan badan berputar: objek dengan jisim yang sama tetapi berpusat sekitar paksi putaran atau di pinggir akan mempunyai momentum sudut yang berbeza. Sebagai pembaca mungkin sudah meneka, dalam dunia atom pengkuantuman tenaga momentum sudut.

Kuantum dan Laser

Kesan pembukaan tenaga diskret dan lain-lain kuantiti jelas. Kajian terperinci di dunia hanya boleh dilakukan terima kasih kepada kuantum. Kaedah moden mengkaji bahan, penggunaan bahan-bahan yang berbeza dan juga sains untuk mencipta mereka - lanjutan daripada pemahaman apa pengkuantuman tenaga. Prinsip operasi dan penggunaan laser - tidak terkecuali. Secara umumnya, laser itu terdiri daripada tiga elemen asas: bendalir kerja dan cermin pam reflektor. Bendalir kerja dipilih supaya terdapat dua agak hampir ke tahap untuk elektron. Kriteria yang paling penting untuk tahap ini ialah hayat elektron pada mereka. Iaitu berapa banyak elektron mampu untuk terus hidup dalam keadaan tertentu sebelum pergi ke kedudukan yang lebih rendah dan stabil. Kedua-dua peringkat perlu menjadi lebih hidup lama atas. Kemudian mengepam (sering - mentol standard, kadang-kadang - inframerah) memberikan elektron mempunyai tenaga yang cukup kepada mereka semua berkumpul di tingkat atas tenaga dan terkumpul di sana. Ini dipanggil tahap penyongsangan penduduk. Di samping itu, beberapa elektron bergerak satu kepada keadaan yang lebih rendah dan mantap dengan pelepasan foton, menyebabkan gangguan elektron ke bawah. Ciri-ciri proses ini adalah bahawa semua foton itu diperolehi mempunyai panjang gelombang yang sama dan masuk akal. Walau bagaimanapun, bendalir kerja biasanya cukup besar, dan ia menjana aliran diarahkan dalam arah yang berbeza. Peranan cermin reflektor adalah untuk menapis hanya mereka aliran foton, yang mempunyai arah yang sama. Hasilnya, output adalah rasuk sengit yang sempit gelombang koheren panjang gelombang yang sama. Pada mulanya, ini telah menganggap mungkin hanya dalam pepejal. Laser pertama adalah boule sebagai bendalir kerja. Sekarang, terdapat laser semua jenis dan jenis - cecair, gas, dan juga tindak balas kimia. Sebagai pembaca boleh lihat, peranan utama dalam proses ini dimainkan oleh penyerapan dan pancaran cahaya oleh atom. pengkuantuman tenaga dalam kes ini hanya asas untuk menerangkan teori.

Cahaya dan elektron

Ingat bahawa peralihan elektron dalam atom dari satu orbit yang lain disertakan dengan sama ada pelepasan atau penyerapan tenaga. Tenaga ini muncul sebagai foton cahaya, atau foton. Secara rasmi, foton adalah zarah, melainkan di atas penduduk lain nanoworld adalah berbeza. Photon tidak mempunyai jisim, tetapi mempunyai momentum. Beliau membuktikan ia belum Federation saintis Lebedev pada tahun 1899, dengan jelas menunjukkan tekanan cahaya. Photon hanya wujud dalam pergerakan dan kelajuan adalah kelajuan cahaya. Ini adalah yang paling cepat dalam objek alam semesta kita. Kelajuan cahaya (biasanya ditunjukkan oleh kecil Latin "c") adalah kira-kira tiga ratus ribu kilometer sesaat. Sebagai contoh, saiz galaksi kita (tidak sangat besar kepada piawaian ruang) adalah kira-kira satu ratus ribu tahun cahaya. Berhadapan dengan perkara itu, foton memberikan kepadanya kekuatannya sama sekali, seolah-olah dibubarkan dalam hal ini. Tenaga foton, yang dilepaskan atau diserap dalam peralihan elektron dari satu orbit yang lain bergantung kepada jarak antara orbit. Jika ia adalah kecil - menonjol sinar inframerah dengan tenaga yang rendah, jika besar - dapatkan ultraviolet.

X-ray dan sinar gamma

pelbagai elektromagnet selepas ultraviolet terdiri daripada sinaran x-ray dan gamma. Secara umumnya mereka panjang gelombang, kekerapan dan tenaga bertindih dalam julat yang agak luas. Iaitu, terdapat foton X-ray dengan panjang gelombang 5 picometers dan gamma foton panjang gelombang yang sama. Mereka hanya berbeza dalam cara penyediaan. Roentgen berlaku di hadapan elektron sangat cepat, dan radiasi gamma diperolehi hanya dalam proses perpecahan dan tautan nukleus. X-ray dibahagikan kepada ringan (dengan bantuan paru-paru manusia lut dan tulang) dan keras (biasanya hanya perlu untuk keperluan industri atau penyelidikan). Jika sangat kuat elektron dipercepatkan, dan kemudian tiba-tiba memperlahankan (contohnya, menghantar pepejal), ia akan memancarkan foton X-ray. Dalam perlanggaran elektron ini dengan bahan atom sasaran, elektron ditarik keluar dari shell lebih rendah. Elektron cengkerang atas mengambil tempat mereka, peralihan juga pemancar X-ray.

sinar Gamma berlaku dalam kes-kes lain. Nukleus atom, walaupun mereka terdiri daripada banyak zarah asas, juga dicirikan oleh saiz kecil, dan oleh itu, mereka cenderung untuk pengkuantuman tenaga. Peralihan nukleus teruja negeri yang lebih rendah, kanan, dan disertakan dengan pelepasan sinar gamma. Apa-apa kejatuhan reaksi atau pelakuran nuklear berlaku, termasuk kemunculan foton gamma.

tindak balas nuklear

Sedikit di atas, telah dinyatakan bahawa nukleus atom juga tertakluk kepada undang-undang di dunia kuantum. Tetapi terdapat bahan-bahan semula jadi yang berlaku seperti teras besar, mereka menjadi tidak stabil. Mereka cenderung untuk memecahkan kepada komponen yang lebih kecil dan lebih mantap. Ini, sebagai pembaca mungkin telah meneka, adalah, sebagai contoh, plutonium dan uranium. Apabila planet kita terbentuk daripada cakera protoplanet, terdapat sejumlah bahan radioaktif. Oleh kerana mereka reput dari masa ke masa, berubah menjadi unsur-unsur kimia yang lain. Belum terselamat beberapa uranium nondecayed, dan jumlah boleh dinilai, sebagai contoh, usia bumi. Untuk unsur-unsur kimia yang mempunyai radioaktif semula jadi, ada apa-apa ciri-ciri sebagai masa separuh hayat. Ini adalah tempoh masa yang mana baki bilangan atom seperti ini akan dapat separuh. Separuh hayat plutonium, sebagai contoh, ada dua puluh empat ribu tahun. Walau bagaimanapun, selain daripada radioaktif semula jadi, ada juga paksa. Jika membedil berat alpha-zarah atau cahaya neutron nukleus atom, mereka retak. Dalam kes ini terdapat tiga jenis sinaran mengion: zarah alfa, zarah beta, sinar gamma. pereputan beta nukleus membawa kepada perubahan dalam unit pertuduhan. zarah alfa mengambil nukleus dua positron. radiasi gamma tidak mempunyai caj dan medan elektromagnet tidak terpesong, tetapi mempunyai kuasa menembusi tertinggi. pengkuantuman tenaga berlaku dalam semua kes, nukleus.

Perang dan Damai

Laser, X-ray, kajian pepejal dan bintang-bintang - semua permohonan aman pengetahuan mengenai quanta. Walau bagaimanapun, dunia kita penuh dengan ancaman, dan semua orang mahu melindungi diri mereka. Sains menyajikan tujuan ketenteraan juga. On walaupun pengawal meletakkan dunia semata-mata fenomena teori sebagai pengkuantuman tenaga. Tertentu diskret radiasi mana-mana, sebagai contoh, membentuk asas senjata nuklear. unit tempur sudah tentu, aplikasinya terakru - mungkin pembaca akan ingat Hiroshima dan Nagasaki. Semua sebab-sebab lain, tekan butang merah dihargai ia adalah lebih kurang aman. Kerana ia sentiasa persoalan pencemaran radioaktif alam sekitar. Sebagai contoh, separuh hayat plutonium yang dinyatakan di atas menjadikan landskap di mana unsur ini mendapat tidak layak untuk digunakan untuk jangka masa yang sangat lama, zaman hampir geologi.

Air dan wayar

Mari kita kembali kepada penggunaan damai tindak balas nuklear. Ini, sudah tentu, bercakap tentang pengeluaran elektrik dengan cara pembelahan nuklear. Proses ini kelihatan seperti ini:

Teras reaktor pada mulanya sebagai neutron percuma dan kemudian mereka memukul unsur radioaktif (biasanya uranium isotop), yang mengalami kerosakan yang alfa atau beta.

Untuk tindak balas ini belum lulus dalam langkah yang tidak terkawal, teras reaktor terdiri daripada apa yang dipanggil perencat. Sebagai peraturan, ia diperbuat daripada rod grafit, yang sangat baik menyerap neutron. Dengan melaraskan panjang mereka, ia adalah mungkin untuk memantau kadar tindak balas.

Hasilnya, satu unsur berubah kepada yang lain, jumlah yang luar biasa tenaga dikeluarkan. tenaga ini diserap oleh bejana berisi air yang dipanggil berat (bukan molekul hidrogen deuterium). Hasil daripada hubungan dengan teras reaktor air banyak tercemar produk pereputan radioaktif. Yang kitar semula air ini adalah masalah terbesar tenaga nuklear pada masa ini.

Dalam litar air yang pertama diletakkan kedua di kedua - ketiga. Air litar ketiga sudah selamat untuk digunakan, dan bahawa ia bertukar turbin, yang menghasilkan tenaga elektrik.

Walaupun sejumlah besar pengantara antara tenaga yang dibebaskan secara langsung teras dan pengguna akhir (mari kita lupa tentang berpuluh-puluh kilometer dari wayar, yang juga kehilangan kuasa), tindak balas ini memberi kuasa yang luar biasa. Sebagai contoh, loji tenaga nuklear boleh membekalkan elektrik ke seluruh kawasan itu dengan pelbagai industri.