Quantization fan de enerzjy fan in elektron yn in atoom. In wize fan produsearjen enerzjy yn in reactor troch trage neutroanen

Dit artikel fertelt oer wat it quantization fan enerzjy en de betsjutting fan dit ferskynsel is om moderne wittenskip. It toant de skiednis fan 'e ûntdekking fan discreteness fan enerzjy, en ek oantoand it berik fan quantized atomen.

Ein fan natuerkunde

Yn de lette njoggentjinde ieu, it dilemma tsjinoer troch wittenskippers: de doe besteande nivo fan de technyk, al de mooglike wetten fan de natuerkunde waarden ûntdekt, beskreaun en bestudearre. Studinten dy't hawwe hie sterk ûntwikkele kapasiteiten yn 'e wittenskippen, de learaar advisearre net te kiezen natuerkunde. Sy leauden dat forhearlike is it net mear mooglik is, der wie mar in rûtine wurk foar de stúdzje fan de lytse lytse details. It is mear geskikt foarsichtich man, net bestelle. Lykwols, de foto dy't mear ferdivedaasje wie de ûntdekking joech oanlieding om te keatsen. It begûn allegear mei in ienfâldige inconsistencies. Om te begjinnen, die bliken dat it ljocht net hielendal bêst: in beskate betingsten, it brânen fan wetterstof liet op 'e plaat tal rigels yn stee fan mar ien plak. Fierder, dat waard fûn út dat de Spectra fan it helium hie mear linen as wetterstof Spectra. Doe waard ûntdutsen dat it spoar fan ien stjer stiet, ferskilt fan 'e oaren. En suver nijsgjirrichheid twongen ûndersikers sels sette iene ûnderfining nei de oare op syk nei antwurden op fragen. Op de kommersjele gebrûk fan harren fynsten se hawwe net tocht fan.

Planck en kwantum

Gelokkich foar ús, dit trochbraak yn natuerkunde waard begelaat troch de ûntwikkeling fan de wiskunde. Omdat de útlis fan wat der bart fit yn 'e ongelooflijk kompleks formule. Yn 1900, Maks Plank, wurke oan 'e teory fan strieling fan absolút swarte lichem, fûn dat enerzjy is quantized. It koart fertel ús oer de betsjutting fan dizze útspraak is hiel simpel. Elke elementary dieltsje kin allinnich wêze yn guon spesifike omstannichheden. As cause rûch model, de teller kin sjen litte sokke steaten fan 1, 3, 8, 13, 29, 138. Alle oare wearden binne net beskikber tusken harren. De redenen foar dizze wy sille reveal letter. Lykwols, as jo Dûk yn it ferhaal fan dizze ûntdekking, it is de muoite wurdich opskriuwen dat de wittenskipper beskôge de enerzjy quantization fan 'e ein fan it libben is mar in handige wiskundige trúk, is net begiftigd mei in serieus fysike sin.

Wave en gewicht

It begjin fan de tweintichste ieu wie Rife mei ûntdekkingen yn ferbân mei de wrâld fan de elemintêre dieltsjes. Mar de grutste mystearje is it neikommende paradoks: yn guon gefallen, de dieltsjes gedrage harren as foarwerpen mei massa (en dus momentum), en guon - as in weach. Nei lang en oanhâldende skelen kommen ta de konklúzje net folle kâns op: elektroanen, protoanen en neutroanen hawwe dizze eigenskippen tagelyk. Dit ferskynsel wurdt neamd wave-dieltsje dualiteit (yn 'e taspraak fan de Russyske wittenskippers twahûndert jier lyn corpuscle neamd dieltsje). Sa, in elektron is in beskate massa, om sa te sizzen besmeurd yn in weach fan in beskate frekwinsje. Electronic dat draait om in atoomkearn, ûneinich opleit weagen op inoar. Dus, allinne by bepaalde ôfstannen út it sintrum (dy't ôfhingje fan de golflingte), it elektron wave draait, net ôfbrekke inoar. Dat bart as by it oplizzen fan de "kop" fan it elektron golf op syn "tail" highs falle gear mei de maximums en minima - minima. Dit ferklearret de quantization fan de enerzjy fan it atoom, dat is, de oanwêzichheid fan in goed-definiearre banen dêr't it elektron kin bestean.

Bolfoarmige nanokon yn vácuo

Lykwols, echte systemen binne ongelooflijk kompleks. Obeying de logika beskreaun hjirboppe kin fierder begrepen elektron banen systeem yn wetterstof en helium. Lykwols, fan doe oan ferlet nochal komplekse berekkenings. Om te learen hoe om te begripen moderne learlingen leare de quantization enerzjy fan it dieltsje yn de potinsjele goed. Om te begjinnen, kies de ideale foarm fan in kûle en ien elektron model. Oplosse dizze Schrödinger fergeliking binne enerzjy nivo 's op hokker in elektron kin wêze. Nei't learen om te sykjen foar Ofhinklikens, fieren fariabelen: de breedte en de djipte fan 'e put, de enerzjy en de frekwinsje fan it elektron ferliest syn definiteness, tafoegjen fan kompleksiteit fergelikingen. Fierdere pit shape is feroare (bgl, it wurdt fjouwerkant of toothed profyl, de rânen ferlieze har symmetry), wurdt nommen hypotetysk elemintêre dieltsjes mei winske skaaimerken. En pas dan leare oplosse problemen dêr't ferskynt de baarnende enerzjy quantization fan de echte atomen en noch komplekser systemen.

Impulse momentum

Lykwols, it nivo fan 'e enerzjy, bygelyks, in elektron - is mear of minder dúdlik wearde. Alles, yn ien of oare wize, mar it liket dat de hegere de enerzjy fan de sintrale ferwaarming batterij, wat heger de temperatuer yn it appartemint. Accordingly, de quantization fan enerzjy is noch mooglik om yntinke de geast. Der binne ek begripen yn de natuerkunde dy't logysk yntuityf dreech. De feart is it produkt macro snelheid oan grûn (net ferjitte dat de snelheid en it momentum fan beide - vector magnitude, i.e. ûnôfhinklik fan 'e rjochting). It is it gefolch fan driuwfear is it dúdlik dat de gemiddelde wearde stadich fleanende stien krekt ferlitte in blauwe plek, as jo falle yn in minske, dan as in lyts kûgel, ôfsketten op hege snelheid, brekt troch it lichem. Yn de mikro itselde pols - dit is sa'n kwantiteit dy't karakterisearret de relaasje fan it dieltsje mei de omlizzende romte, krekt as syn eigendom Faar troch en ynteraksje mei oare dieltsjes. Dy lêste is direkt ôfhinklik fan 'e enerzjy. Sa wurdt dúdlik dat it quantization fan enerzjy en it momentum fan it dieltsje wurde moatte inoar ferbûn. Boppedat, de konstante h, dat wiist de leechste mooglik diel fan it fysike ferskynsel en toant diskrete wearden opnommen yn 'e formule en de enerzjy en it momentum fan de dieltsjes yn de nanoworld. Mar der is in konsept noch mear fier út de yntuïtive bewustwurding - dynamyk. It ferwiist nei de draaiende organen en betsjut wat in massa en in rotearjende angular snelheid. Recall, de angular Velocity jout de omfang fan rotaasje per ienheid tiid. De angular momentum is ek by steat om te rapportearjen tawizing metoade fan it draaiende lichem stof: objekten mei deselde massa, mar centered oer it axis fan rotaasje of op 'e perifery sil hawwe ferskillende angular feart. As de lêzer nei alle gedachten al ret, yn atomêre wrâld is enerzjy quantization fan angular ympuls.

Quantum en Laser

De ynfloed fan 'e iepening fan diskrete enerzjy en oare hoeveelheden fanselssprekkend. In detaillearre stúdzje fan 'e wrâld is allinne mooglik tank oan kwantumfysika. Moderne metoaden fan bestudearjen it materiaal, it brûken fan ferskate materialen en sels wittenskip te meitsjen se - in natuerlike ferlingde fan ynsjoch wat enerzjy quantization. It prinsipe fan wurking en it brûken fan laser - is gjin útsûndering. Oer it algemien, de laser bestiet út trije fûnemintele eleminten: de wurkje vloeistof, en in pomp reflectorlamp spegel. De wurkjende fluid wurdt keazen sadat der bestean twa relatyf ticht by it nivo foar elektroanen. De meast wichtige kritearium foar dizze nivo is it libben fan de elektroanen op harren. Dat is hoefolle it elektron is by steat om te oerlibjen yn in bepaalde steat foardat gean yn in legere en stabile posysje. Fan de twa nivo wêze moatte mear lange-wenne boppe. Dan pompen (faak - in standert Zwiebel, soms - ynfraread) jout de elektroanen hawwe genôch enerzjy foar har allegearre byinoar op 'e boppeste nivo fan enerzjy en garre dêr. Dit hjit befolking omkearing nivo. Fierder, guon iene elektron beweecht nei in leger en ûnbehindere steat mei de útstjit fan in foton, wêrtroch fersteuring fan Down elektroanen. It skaaimerk fan dit proses is dat alle fotoanen wurde dus krigen hawwe deselde golflingte en gearhingjende. Lykwols, it wurkje floeistof wurdt meastal grut genôch, en it generated streamt regissearre yn ferskillende rjochtingen. De rol fan 'e reflectorlamp spegel is te filterjen út mar dy streamen fan fotoanen, dy't hawwe deselde rjochting. As gefolch, de útfier is in smelle intens beam fan gearhingjende weagen fan deselde golflingte. Op it earste, dat waard tocht mooglik allinnich yn in bêst. De earste laser wie boule as de wurkje floeistof. No, der binne lasers fan alle soarten en typen - floeistoffen, gas, en sels gemyske reaksjes. As de lêzer sjen kinne, de wichtichste rol yn dit proses wurdt spile troch de opname en de útstjit fan ljocht troch it atoom. quantization fan enerzjy yn dit gefal is allinne de basis foar it beskriuwen fan de teory.

Ljocht en elektron

Sin brocht wurde dat de oergong fan in elektron yn in atoom fan de iene baan nei de oare wurdt beselskippe troch itsij in útstjit of opname fan enerzjy. Dizze enerzjy ferskynt as in foton fan ljocht, of foton. Formeel, it foton is in dieltsje, mar oan de oare bewenners fan it nanoworld is oars. Fotones hat gjin massa, mar hat ympuls. Hy bewiisde it noch Russysk wittenskipper Lebedev yn 1899, dúdlik oantoande de druk fan it ljocht. Fotones bestiet allinnich yn de beweging en har snelheid is de ljochtsnelheid. Dit is de fluchste mooglik yn ús universum foarwerp. De ljochtsnelheid (meastal oanjûn troch in lytse Latyn "c") giet oer trije hûndert tûzen kilometer per sekonde. Bygelyks, de omfang fan ús stjerrestelsel (net hiel grut op romte noarmen) giet oer hûndert tûzen licht-jierren. Konfrontearre mei de saak, it foton jout him syn macht folslein, as soe oplost yn dit. De foton enerzjy, dy't frijkomt of opgien yn 'e oergong fan in elektron fan de iene baan nei de oare hinget ôf fan de ôfstân tusken de banen. As it is lyts - stiet út ynfraread strielen mei lege enerzjy, as grut - krije Ultraviolet.

X-rays en gamma rays

De elektromagnetyske berik nei Ultraviolet bestiet út in roentgen en gamma strieling. Generaal se de golflingte, frekwinsje en enerzjy wurde overlapped yn in frijwat breed berik. Dat wol sizze, der is in X-ray foton mei in golflingte fan 5 picometers en gamma foton fan deselde golflingte. Se ferskille allinnich yn 'e wize fan tarieding. Roentgen komt foar yn it bywêzen fan hiel fluch elektroanen, en gamma strieling wurdt ferkrigen allinnich yn 'e prosessen fan ûntbining en coalescence fan de kearnen. X-rays wurdt ûnderferdield yn mild (mei help fan trochskinende minsklike longen en bonken) en hurde (meastal allinnich nedich foar yndustrieel of ûndersyk doelen). As hiel sterk fersneld elektroanen, en dan abrupt remmen syn (bgl, it ferstjoeren fan in solide), dan sil útstrielje X-ray fotoanen. Yn collisions fan dy elektroanen mei de stof fan de doelgroep atomen, elektroanen wurde lutsen út út de legere shell. De elektroanen boppeste skulpen nimme harren plak, de oergong ek emitting X-rays.

Gamma rays komme foar yn oare gefallen. De kearnen fan atomen, ek al se bestean út in protte elemintêre dieltsjes, wurdt ek karakterisearre troch lytse grutte, en dêrom, se tend to enerzjy quantization. De oergong fan de kearnen oanslein steat nei in leger, rjochts, en beselskippe troch de útstjit fan gamma strielje. Eltse ynsakjen fan de reaksje of kearnfúzje plakfynt, ynklusyf it ûntstean fan it gamma fotoanen.

nuclear reaksje

Wat hjirboppe, wy neamd dat atomic kearnen binne ek ûnder foarbehâld fan de wetten fan de kwantumfysika wrâld. Mar der binne fan natuere-foarkommende stoffen sokke grutte kearnen, se wurde net stabyl. Se tend to brekken yn lytsere en mear robúst komponinten. Dat, as de lêzer hat nei alle gedachten trochsjoen, binne, bygelyks, plutoanium en uranium. Doe't ús planeet foarme út in protoplanetary skiif, wie der in bepaald oantal radioaktive stoffen. Sûnt se slop oer de tiid, omfoarme ta oare gemyske eleminten. Noch te hawwe oerlibbe in oantal nondecayed uranium, en syn bedrach kin oardiele wirde, bygelyks, de leeftiid fan 'e ierde. Foar gemyske eleminten dy't hawwe natuerlike radioactiviteit, der is sa'n karakteristyk as in heal-libben tiid. Dit is de tiid perioade dêr't de oerbleaune tal atomen fan dit soarte wurdt halved. Ferfaltiid fan plutoanium, bygelyks, is der in tweintich-fjouwer tûzen jier. Lykwols, njonken de natuerlike radioactiviteit, dêr wurdt ek twongen. As belegerje swiere alfa-dieltsje of neutron ljocht atomic kearnen, sy crack. Yn dit gefal binne der trije soarten fan ionizing strieling: alpha dieltsjes, beta dieltsjes, gamma strielje. Beta ferfal fan kearnen liedt ta in feroaring yn 'e lading ienheid. Alpha dieltsjes nimme de kearn twa positrons. Gamma strieling hat gjin lading en it elektromagnetyske fjild is net tsjin, mar hat de heechste ynkringend macht. quantization fan de enerzjy komt yn alle gefallen, de kearn.

Oarloch en Frede

Lasers, X-rays, in stúdzje fan fêste stoffen en de stjerren - alle freedsume tapassings fan kennis oer quanta. Lykwols, ús wrâld is fol bedrigingen, en elkenien wol te beskermjen harsels. Wittenskip tsjinnet militêre doelen te. Op sels in wacht set de wrâld suver teoretyske fenomeen as enerzjy quantization. Beskate diskrete eltse strieling, bygelyks, foarme de basis fan nukleêre wapens. Fansels, syn applikaasjes oprûne combat units - nei alle gedachten de lêzer sil ûnthâlde Hiroshima en Nagasaky. Alle oare redenen, druk op de reade knop koestere it wie mear of minder fredich. Sa't it is altyd de fraach fan radioaktive fersmoarging fan it miljeu. Bygelyks, de heal-libben fan plutoanium oanjûn boppe makket it lânskip dêr't dit elemint krijt unfit foar gebrûk foar een hiel lang skoft, hast geologyske tiid.

Wetter en snoeren

Lit ús weromgean nei de freedsume brûken fan nukleêre reaksjes. Dit, fansels, praten oer de produksje fan elektrisiteit troch middel fan kearnenerzjy fission. Dit proses sjocht der sa út:

De kearn fan de reaktor earstoan as de frije neutroanen en dan se reitsje in radioaktive elemint (meastal uranium isotoop), dy't ûndergiet in alpha of beta ferfal.

Om dizze reaksje is net foarby yn stap uncontrolled, de reaktor kearn bestiet út in saneamde retarders. As regel, it is makke fan grafyt roeden, dy't hiel goed opheine neutroanen. Troch it oanpassen fan harren lingte, is it mooglik om tafersjoch op de beoardieling fan de reaksje.

As gefolch, ien elemint wurdt omfoarme ta in oar, it leauwen bedrach fan enerzjy útbrocht. Dy enerzjy is opnomd troch de bus fol mei saneamde swiere wetter (ynstee fan wetterstof deuterium molekulen). As gefolch fan kontakt mei de reaktor kearn dy't wetter swier fersmoarge produkten fan radioaktyf ferfal. Dat recycling behâlde dit wetter is de grutste probleem fan de nukleêre macht op it stuit.

Yn de earste wetter circuit wurdt pleatst twadde yn it twadde - tredde. It wetter fan 'e tredde sirkel is al feilich te brûken, en dat it draait de turbine, dy't produceert elektrisiteit.

Nettsjinsteande sa'n grut tal intermediaries tusken de enerzjy útbrocht streekrjocht kearnen en de ein brûker (lit ús net ferjitte oer tsientallen kilometers fan draad, dêr't ek macht ferlies), dizze reaksje jout waar. Bygelyks, in kearnsintrale kin leverje elektrisiteit oan it hiele gebiet mei in ferskaat oan yndustry.