Kvantisering af energien af en elektron i et atom. Fremgangsmåde til produktion af energi i en reaktor ved langsomme neutroner

Denne artikel taler om, hvad den kvantisering af energi og betydningen af dette fænomen er at moderne videnskab. Det viser historien om opdagelsen af diskrethed af energi, og viste også omfanget af kvantiserede atomer.

Slutningen af fysik

I slutningen af det nittende århundrede, det dilemma af forskere står: det daværende niveau af teknologi, alle de mulige fysiske love blev opdaget, beskrevet og undersøgt. Studerende, der har haft højt udviklede evner i videnskaberne, læreren rådes til ikke at vælge fysik. De troede, at herliggjort det ikke længere er muligt, var der kun et rutinearbejde for studiet af små mindre detaljer. Det er mere velegnet forsigtig mand, ikke begavet. det billede, der er mere underholdende var dog opdagelsen gav anledning til at reflektere. Det hele startede med en simpel uoverensstemmelser. Til at begynde, viste det sig, at lyset ikke er helt fast: i visse betingelser, afbrænding af brint efterladt på pladen antal linjer i stedet for bare én stedet. Yderligere blev det fundet, at spektrene for helium havde flere linjer end hydrogen spektre. Så blev det opdaget, at sporet af en stjerne er forskellig fra de andre. Og ren nysgerrighed tvang forskerne manuelt sætte en oplevelse efter den anden i jagten på svar på spørgsmål. På den kommercielle udnyttelse af deres opdagelser, de ikke har tænkt på.

Planck og kvante

Heldigvis for os, blev dette gennembrud i fysik sammen med udviklingen af matematik. Fordi forklaring på, hvad der sker passer ind i utrolig kompleks formel. I 1900 Maks Plank, der arbejder på teorien om stråling af absolut sort legeme, fandt, at energien er kvantiseret. Kort fortælle os om betydningen af dette udsagn er ganske enkel. Enhver elementarpartikel kan kun være i nogle særlige betingelser. Hvis forårsage ru model, kan tælleren vise sådanne stater på 1, 3, 8, 13, 29, 138. Alle de andre værdier er ikke tilgængelige imellem dem. Årsagerne til dette vil vi afsløre senere. Men hvis du dykke ned i historien om denne opdagelse, er det værd at bemærke, at videnskabsmanden betragtede den energi kvantisering af livets afslutning er kun en bekvem matematisk trick, er ikke udstyret med en alvorlig fysisk forstand.

Wave og vægt

Begyndelsen af det tyvende århundrede var fyldt med opdagelser relateret til en verden af elementarpartikler. Men den største mysterium er følgende paradoks: i nogle tilfælde partiklerne opfører sig som objekter med masse (og dermed momentum), og nogle - som en bølge. Efter lange og vedvarende stridigheder var kommet til den konklusion, usandsynlige: elektroner, protoner og neutroner har disse egenskaber på samme tid. Dette fænomen kaldes bølge-partikel dualitet (i talen af russiske videnskabsmænd to hundrede år siden corpuscle kaldet partikel). , En elektron er således en vis masse, som det blev smurt i en bølge af en bestemt frekvens. Elektronisk som roterer omkring en atomkerne, uendeligt pålægger bølger på hinanden. Følgelig kun på bestemte afstande fra midten (som afhænger af bølgelængden), elektron bølge roterer, ikke ophæver hinanden. Dette sker, når ved at pålægge "hoved" af elektron bølge på sine "hale" højder falder sammen med de beløbsgrænser og minima - mindstesatser. Dette forklarer kvantiseringen af atomets energi, dvs. tilstedeværelsen af en veldefinerede baner, hvori elektronen kan eksistere.

Sfærisk nanokon i vakuum

Men virkelige systemer er utrolig kompleks. Adlyde logik beskrevet ovenfor kan yderligere forstås elektronbaner system brint og helium. Men fra da af behov snarere komplekse beregninger. At lære at forstå moderne studerende lærer kvantisering energien af partiklen i den potentielle godt. Til at begynde, vælge den ideelle form af en grav og en enkelt elektron model. For at løse disse Schrödingerligningen er energiniveauer, hvor en elektron kan være. Efter at lære at kigge efter afhængigheder, indføre flere variabler: bredde og dybde af brønden, energien og frekvensen af elektron mister sin definithed, tilføjer kompleksitet ligninger. Yderligere pit form ændres (fx bliver offentlig fortandet profil, kanterne miste sin symmetri), tages hypotetiske elementarpartikler med ønskede karakteristika. Og først derefter lære at løse problemer, hvor vises den strålende energi kvantisering af de virkelige atomer og endnu mere komplekse systemer.

impuls momentum

Men niveauet af energi, fx en elektron - er mere eller mindre klar værdi. Alt, på den ene eller anden måde, men det lader til, at jo højere energi af centralvarme batteri, jo højere temperaturen i lejligheden. Derfor er kvantisering af energi er stadig muligt at forestille sindet. Der er også begreber i fysik, der giver mening intuitivt vanskelig. Momentum er produktet makro hastighed til jord (ikke glemme, at den hastighed og fremdrift af både - vektor størrelsesorden, det vil sige uafhængigt af retningen). Det skyldes, at impuls er det klart, at den gennemsnitlige værdi langsomt flyvende sten bare efterlade et blåt mærke, hvis du falder ind i en mand, så som en lille kugle, affyret ved høj hastighed, bryder gennem kroppen. I mikro samme puls - dette er en sådan mængde, der karakteriserer forholdet af partiklen med det omgivende rum, såvel som dens ejendom navigere og interagere med andre partikler. Sidstnævnte er direkte afhængig af energi. Således bliver det klart, at kvantisering af energi og fremdrift af partiklen er nødt til at være forbundet med hinanden. Desuden konstant h, hvilket indikerer den lavest mulige del af det fysiske fænomen og viser diskrete værdier indgår i formlen og energi og impuls af partiklerne i NanoWorld. Men der er et koncept endnu mere fjernt fra den intuitive bevidsthed - momentum. Det refererer til de roterende organer og betyder, hvad en masse og en roterende vinkelhastighed. Recall, vinkelhastigheden angiver størrelsen af rotation per tidsenhed. Impulsmomentet er også i stand til at rapportere allokeringsmetode af det roterende organ stof: objekter med den samme masse men centreret omkring omdrejningsaksen eller på periferien vil have forskellige impulsmoment. Som læseren sikkert allerede gættet, i atomare verden er energi kvantisering af impulsmoment.

Quantum og Laser

Virkningen af åbningen af diskrete energi og andre mængder indlysende. En detaljeret undersøgelse af verden er kun muligt takket være kvante. Moderne metoder til at studere materialet, at brugen af forskellige materialer og endda videnskab oprette dem - en naturlig forlængelse af at forstå, hvad energi kvantisering. Princippet om drift og brug af laser - er ingen undtagelse. Generelt laseren består af tre grundelementer: arbejdsfluidet, og en pumpe reflektor spejl. Arbejdsfluidet vælges således, at der findes to forholdsvis tæt på niveauet for elektroner. Det vigtigste kriterium for disse niveauer er levetiden af elektroner på dem. Det er, hvor meget elektronen er i stand til at overleve i en bestemt tilstand før gå ind i et lavere og stabil position. Af de to niveauer bør være mere langlivede øverste. Så pumpning (ofte - en almindelig pære, nogle gange - infrarød) giver elektronerne har nok energi til dem alle samlet på det øverste niveau af energi og akkumuleret der. Dette kaldes populationsinversionen niveauer. Endvidere nogle én elektron bevæger sig til et lavere og stabil tilstand med emission af en foton, der forårsager afbrydelse af dun elektroner. Funktionen af denne proces er, at alle fotoner således opnåede har samme bølgelængde og sammenhængende. Imidlertid arbejdsfluidet er normalt stort nok, og det genererede strømme rettet i forskellige retninger. Rolle reflektoren spejl er at filtrere kun de strømme af fotoner, som har den samme retning. Som et resultat, output er en smal intens stråle af sammenhængende bølger af samme bølgelængde. I første omgang blev dette troede kun muligt i et fast stof. Den første laser var kugle som arbejdsfluidet. Nu er der lasere af alle slags og typer - væsker, gas, og selv kemiske reaktioner. Som læseren kan se, er den vigtigste rolle i denne proces spilles af absorption og emission af lys ved atomet. kvantisering af energi i dette tilfælde er kun grundlag for at beskrive teorien.

Lys- og elektronmikroskopi

Minde om, at overgangen af en elektron i et atom fra et kredsløb til et andet ledsages af enten en emission eller absorption af energi. Denne energi vises som en foton af lys, eller foton. Formelt fotonen er en partikel, men på de andre indbyggere i NanoWorld er anderledes. Photon har ingen masse, men har momentum. Han beviste det endnu russiske videnskabsmand Lebedev i 1899, klart viser trykket af lys. Photon eksisterer kun i bevægelsen og dens hastighed er lysets hastighed. Dette er den hurtigst mulige i vores univers objekt. Lysets hastighed (typisk ved en lille latinsk "c") er omkring 300 tusind kilometer i sekundet. For eksempel størrelsen af vores galakse (ikke meget store på plads standarder) er omkring hundrede tusinde lysår. Stillet over for spørgsmålet, fotonen giver ham hans magt helt, som om opløst i dette. Fotonenergien, der frigives eller absorberes i overgangen af en elektron fra et kredsløb til et andet afhænger af afstanden mellem banerne. Hvis det er små - skiller sig ud infrarøde stråler med lav energi, hvis store - få ultraviolet.

Røntgenstråler og gammastråler

Elektromagnetiske område efter ultraviolet omfatter en røntgen- og gammastråling. Generelt de er bølgelængden, frekvens og energi overlappes i et større område. Det vil sige, der er en X-ray foton med en bølgelængde på 5 picometers og gamma foton med samme bølgelængde. De adskiller sig kun i vejen for forberedelse. Roentgen sker i nærværelse af meget hurtige elektroner, og gammastråling kun opnås i fremgangsmåderne ifølge desintegration og sammensmeltning af kerner. Røntgenstråler er opdelt i mild (med hjælp fra gennemskinnelige menneskelige lunger og knogler) og hård (normalt kun nødvendigt til industrielle eller forskningsformål). Hvis meget kraftigt accelereret elektroner, og derefter pludselig bremse dets (fx sende en solid), vil det udstråle X-ray fotoner. I kollisioner af disse elektroner med indholdet af målatomerne, elektroner trækkes ud fra den nedre skal. Elektronerne øvre skaller tager deres plads, overgangen også udsender røntgenstråler.

Gammastråler forekomme i andre tilfælde. Kerner af atomer, selvom de består af mange elementarpartikler, er også karakteriseret ved lille størrelse, og derfor har de en tendens til energi kvantisering. Overgangen af kerner exciteret tilstand til en lavere, højre, og ledsaget af emissionen af gammastråler. Alle kollaps af reaktionen eller nuklear fusion finder sted, herunder fremkomsten af gammafotoner.

kernereaktion

Lidt over, vi nævnte, at atomkerner er også omfattet af lovgivningen i kvanteverdenen. Men der er naturligt forekommende stoffer så store kerner, bliver de ustabile. De har tendens til at bryde ned i mindre og mere robuste komponenter. Disse, som læseren formentlig har gættet, er for eksempel, plutonium og uran. Når vores planet dannet af en protoplanetariske disk, der var en vis mængde af radioaktive stoffer. Da de henfaldt med tiden omdannes til andre kemiske elementer. Men at have overlevet en række nondecayed uran, og beløbet kan blive dømt, for eksempel alder af jorden. For kemiske elementer, som har naturlig radioaktivitet, der er sådan en karakteristik som en halveringstid tid. Dette er den tid, for hvilken det resterende antal atomer af denne art vil blive halveret. Halveringstiden af plutonium, for eksempel, er der en fireogtyve tusinde år. Men ud over den naturlige radioaktivitet, der er også tvunget. Hvis bombardere tunge a-partikel eller neutron lette atomkerner, de knække. I dette tilfælde er der tre typer af ioniserende stråling: alfapartikler, beta-partikler, gammastråler. Beta henfald af kerner fører til en ændring i afgift enhed. Alfapartikler tage kernen to positrons. Gammastråling har ingen ladning og det elektromagnetiske felt er ikke afbøjet, men har den højeste gennemtrængende magt. kvantisering af energi sker i alle tilfælde, kernen.

Krig og fred

Lasere, røntgen, en undersøgelse af faste stoffer og de stjerner - alle fredelige Anvendelse af viden om kvanter. Men vores verden er fuld af trusler, og alle ønsker at beskytte sig selv. Videnskab tjener militære formål også. På endda en vagt sætte verden rent teoretisk fænomen som energi kvantisering. Visse diskrete nogen stråling, for eksempel, dannede grundlag for atomvåben. Selvfølgelig, dens anvendelsesmuligheder påløbne kampenheder - sandsynligvis læseren vil huske Hiroshima og Nagasaki. Alle andre årsager, skal du trykke på den røde knap næret det var mere eller mindre fredelig. Som det altid er spørgsmålet om radioaktiv forurening af miljøet. For eksempel er halveringstiden af plutonium ovenfor angivne gør landskab, hvor dette element bliver uegnet til brug i meget lang tid, næsten geologiske epoke.

Vand og ledninger

Lad os vende tilbage til den fredelige udnyttelse af kernereaktioner. Dette er naturligvis tale om produktion af elektricitet ved hjælp af nuklear fission. Denne proces ser sådan ud:

Kernen af reaktoren i første omgang som de frie neutroner og derefter de ramte en radioaktiv element (typisk uranisotop), som undergår en alfa- eller beta henfald.

Til denne reaktion ikke har bestået i trin ukontrolleret, reaktorkernen omfatter en såkaldt retarderingsmidler. Som regel er det lavet af grafit stænger, som er meget godt absorbere neutroner. Ved at justere deres længde, er det muligt at overvåge hastigheden af reaktionen.

Som et resultat, er et element omdannes til et andet, den utrolige mængde energi, der frigives. Denne energi absorberes af kanisteren fyldes med såkaldt tungt vand (i stedet for hydrogen deuterium molekyler). Som følge af kontakt med reaktorens kerne, vand stærkt forurenede produkter af radioaktivt henfald. Det genbrug dette vand er det største problem med atomkraft i øjeblikket.

I den første vandkredsløbet placeres andet i den anden - tredje. Vandet i den tredje kredsløb er allerede sikkert at bruge, og at det viser møllen, der producerer elektricitet.

På trods af et så stort antal formidlere mellem den energi frigivet direkte cores og slutbrugeren (lad os ikke glemme snesevis af kilometer ledninger, som også effekttab), denne reaktion giver utrolig magt. For eksempel kan et atomkraftværk levere elektricitet til hele området med en række forskellige brancher.