Kvantumigo de la energio de elektrono en atomo. Metodo de produktado de energio en reactor de malrapidaj neŭtronoj

Ĉi tiu artikolo parolas pri kion la kvantumigo de energio kaj la signifo de ĉi tiu fenomeno estas moderna scienco. Ĝi montras la historion de la malkovro de _discreteness_ de energio, kaj ankaŭ montris la medio de kvantumita atomoj.

Fino de fiziko

En la malfrua deknaŭa jarcento, la dilemon frontas sciencistoj: la tiam ekzistanta nivelo de teknologio, ĉiuj eblaj fizikaj leĝoj estis malkovrita, priskribita kaj studis. Studentoj kiuj havis tre evoluintaj kapabloj en la sciencoj, la instruisto konsilis ne elekti fizikon. Ili kredis ke gloris gxin jam ne eblas, ekzistis nur rutino laboro por la studo de malgrandaj plej malgrandaj detaloj. Estas pli taŭga zorgema homo, ne talenta. Tamen, la bildo kiu estas pli amuza estis la malkovro donis okazon por pripensi. Ĉiu komencis kun simpla inconsistencias. Por komenci, ĝi rezultis ke la lumo ne estas tute solida: en certaj kondiĉoj, la bruligita hidrogeno lasis sur la teleron da linioj anstataŭ nur unu loko. Plue, oni eltrovis, ke la spektroj de la heliumo havis pli linioj, ol la spektroj de hidrogeno. Tiam oni malkovris, ke la vojo de unu stelo diferencas de la aliaj. Kaj pura scivolo devigis esploristoj permane metas unu sperton post alia serĉante respondoj al demandoj. En la komerca uzo de siaj malkovroj ili ne pripensis.

Planck kaj kvantuma

Feliĉe por ni, ĉi tiu antaŭas en fizikon akompanis la evoluon de matematiko. Pro la klarigo pri kio okazas bone sidas en la nekredeble kompleksa formulo. En 1900, Maks Tabulo, laboras pri la teorio de radiado de absolute nigra korpo, trovis ke la energio estas kvantumita. Mallonge diru al ni pri la signifo de tiu aserto estas tre simpla. Ajna elementa partiklo povas esti nur en iuj specifaj kondiĉoj. Se kaŭzo malglata modelo, la vendotablo majo spektaklo kiel ekzemple ŝtatoj de 1, 3, 8, 13, 29, 138. Ĉiuj aliaj valoroj ne estas disponeblaj inter ili. La kialoj de tio ni malkaŝos poste. Tamen, se vi plonĝi en la historio de ĉi tiu malkovro, estas notinde, ke la sciencisto ĝis sia morto kredis kvantumigo de energio nur konvenan matematika lertaĵo, ne dotitaj per serioza fizika senco.

Ondo kaj pezo

La komenco de la dudeka jarcento estis rife kun malkovroj rilatigitaj kun la mondo de elementaj partikloj. Sed la plej granda mistero estas la jena paradokso: en iuj kazoj, la eroj kondutas kiel objektoj kun maso (kaj tiel impeto), kaj iuj - kiel ondo. Post longa kaj persista disputoj venis al la konkludo neprobabla: elektronoj, protonoj kaj neŭtronoj havas tiujn proprietojn samtempe. Tiu fenomeno estas nomita ondo-partikla dueco (en la parolado de la rusa sciencistoj ducent jaroj korpusklo nomita partiklo). Tiel, elektrono estas certa maso, kiel oni ŝmiris per ondo de certa frekvenco. Elektronika kiu rotacias ĉirkaŭ atoma kerno, senfine altrudas ondoj sur unu la alian. Sekve, nur en certaj distancoj de la centro (kiu dependas de la ondolongo), la elektrono ondo turnas, ne nuligi reciproke. Tio ĉi okazas kiam en postulante la "kapo" de la elektrono ondo sur ĝia "vosto" altoj koincidi kun la maksimumoj kaj minimumoj - minimumoj. Tio klarigas la kvantumigo de la energio de la atomo, tio estas, la ĉeesto de bone difinitaj orbitoj en kiu la elektrono povas ekzisti.

Sfera nanokon en vacuo

Tamen, realaj sistemoj estas nekredeble kompleksa. Obeante la logiko priskribitaj supre povas esti plue komprenitaj elektrono orbitas sistemo en hidrogeno kaj heliumo. Tamen, de nun necesas iom kompleksaj ŝtonoj. Por lerni kiel kompreni modernaj studentoj lerni la kvantumigo energio de la partiklo en la potencialon ankaŭ. Por komenci, elektu la ideala formo de foso kaj sola elektrono modelo. Solvi tiujn ekvacio de Schrödinger estas energio niveloj en kiu elektrono povas esti. Post lernado serĉi dependecoj, enkondukante pli variabloj: la larĝo kaj profundo de la puto, la energio kaj la frekvenco de la elektrono perdas lian difiniteco, aldonante kompleksecon ekvacioj. Plue puton formo estas ŝanĝita (ekz, ĝi fariĝas kvadrataj aŭ dentadas profilo, la eĝoj perdi lian simetrio), estas prenita hipotezaj elementaj partikloj kun deziris karakterizaĵojn. Kaj nur tiam lerni solvi problemojn en kiu aperas la radianta energio kvantumigo de la reala atomoj kaj eĉ pli kompleksaj sistemoj.

impulso impeto

Tamen, la nivelo de energio, ekzemple, elektrono - estas pli malpli klara valoro. Ĉio, en unu formo aŭ alia, sed ŝajnas, ke la pli alta la energio de la kuirilaro de centra hejtado, la pli alta la temperaturo en la apartamento. Laŭe, la kvantumigo de energio Tamen eblas imagi la menso. Estas ankaŭ konceptojn en fiziko kiuj faras sencon intuicie malfacila. La movokvanto estas la produkto makro rapido al grundo (ne forgesu, ke la rapideco kaj impeto de kaj - vektora grando, tio estas: sendependa de la direkto). Estas pro impulso estas klare, ke la averaĝa valoro malrapide fluganta ŝtono nur lasi kontuzo, se vi falos en iu homo kiel malgranda kuglo, pafita al granda rapido, rompas tra la korpo. En la mikro saman pulson - jen tia kvanto kiu karakterizas la rilaton de la partiklo kun la ĉirkaŭa spaco, kaj ankaŭ lia proprieto navigi kaj interagi kun aliaj partikloj. Tiu lasta estas rekte dependa de la energio. Tiel, ĝi iĝas klare, ke la kvantumigo de energio kaj movokvanto de partiklo estas devigitaj esti interligita. Krome, la konstanta h, kiu reprezentas la plej malalta ebla dozon de fizikaj fenomenoj kaj montras diskretaj valoroj inkluzivita en la formulo kaj la energio kaj impeto de la partikloj en la nanoworld. Sed estas koncepto eĉ pli malproksima de la intuicia konscio - impeto. Ĝi rilatas al la turnanta korpoj kaj signifas kia maso kaj turniĝanta akraflanka rapido. Recall, la akraflanka rapido indikas la grandon de rotacio por unua tempo. La angula movokvanto ankaŭ povos raporti atribuo metodo de la turnanta korpo substanco: objektoj kun la sama maso sed centrita ĉirkaŭ la rotacia akso aŭ sur la periferio havos malsamajn momento angular. Kiel la leganto verŝajne jam divenis, en atoma mondo energio kvantumigo de kvanto de movado.

Kvantuma kaj Laser

La efiko de la malfermo de diskreta energio kaj aliaj kvantoj evidenta. Detala studo de la mondo estas nur ebla danke al kvantuma. Modernaj metodoj de studanta la materialon, la uzo de malsamaj materialoj kaj eĉ sciencon krei ilin - natura etendo de kompreno kion energio kvantumigo. La principo de operacio kaj la uzo de lasero - ne estas escepto. Ĝenerale, la lasero konsistas el tri bazaj elementoj: la laboranta fluido kaj pumpilo reflektoron spegulo. La laboranta fluido estas elektitaj tiel, ke ne ekzistas du relative proksimaj al la nivelo por elektronoj. La plej grava kriterio por ĉi tiuj niveloj estas la vivo de elektronoj sur ili. Jen kiom la elektrono estas kapabla de postvivi en aparta stato antaŭ iri en pli malaltan kaj stabilan pozicion. El la du niveloj devus esti pli longeviva supra. Tiam pumpanta (ofte - norma bulbo, foje - transruĝa) donas la elektronoj havas sufiĉan energion al ĉiuj ili kolektis sur la supra nivelo de energio kaj amasigis tie. Tiu nomiĝas populacio inversigo niveloj. Plue, iu elektrono moviĝas al pli malalta kaj stabila stato kun la emisión de fotono, kaŭzante interrompon de sube elektronoj. La funkcio de ĉi tiu procezo estas kiu ĉiuj fotonoj estas tiel akiris havas la saman longitudon de ondo kaj kohera. Tamen, la laboranta fluido estas kutime sufiĉe granda, kaj ĝi generis fluas direktita diversdirekten. La rolo de la reflektoro spegulo estas filtri nur tiuj fluoj de fotonoj, kiuj havas la saman direkton. Rezulte, la eligo estas mallarĝa intensa trabo de kohera ondoj de la sama ondolongo. Unue, ĉi tiu pensis ebla nur en solida. La unua lasero estis boule kiel la laboranta fluido. Nun, estas laseroj de ĉiuj specoj kaj tipoj - likvaĵoj, gasoj, kaj eĉ kemiaj reagoj. Kiel la leganto povas vidi, la ĉefa rolo en tiu procezo estas ludita de la absorción kaj emisión de lumo de la atomo. kvantumigo de energio en ĉi tiu kazo estas nur bazo por priskribi la teorion.

Lumo kaj elektrona

Memoru ke la transiro de elektrono en atomo de unu orbito al alia akompanas ĉu elfluo aŭ absorción de energio. Tiu energio estas prezentita en la formo de lumo quanta aŭ fotonoj. Formale, la fotono estas partiklo, kaj en la aliaj loĝantoj de la nanoworld malsamas. Fotono havas mason, sed havas impeton. Li kutimis tamen rusa sciencisto Lebedev en 1899, klare pruvas la premo de la lumo. Fotono ekzistas nur en la movado kaj lia rapido estas la rapido de lumo. Tiu estas la plej rapida ebla en nia universo objekto. La lumrapido (tipe indikita per malgranda latina "c") estas ĉirkaŭ tricent mil kilometroj en sekundo. Ekzemple, la grandeco de nia galaksio (ne tre granda sur la spaco normoj) estas ĉirkaŭ cent mil lumjaroj. Antaŭ la afero, la fotono donas al li sian potencon tute, kvazaŭ solvita en ĉi tio. La fotono energio, kiu estas liberigita aŭ absorbita en la transiro de elektrono de unu orbito al alia dependas de la distanco inter la orbitoj. Se ĝi estas malgranda - elstaras transruĝaj radioj kun malalta energio, se granda - ricevi ultraviolan.

Ikso-radioj kaj gama-radioj

Elektromagneta gamo post ultraviola konsistas roentgen kaj gama radiado. Ĝenerale ili estas la longitudo de ondo, ofteco kaj energio solapan en sufiĉe larĝa gamo. Tio estas, ekzistas Radioterapio fotono kun ondolongo de 5 picometers kaj gama fotono de la sama ondolongo. Ili diferencas nur en la maniero de preparado. Rentgenradioj okazas en la ĉeesto de tre rapida elektronoj kaj gamaradioj estas akirita nur en la procezoj de dekadenco kaj fandado de atomaj kernoj. Rentgenradioj estas dividita en milda (kun helpo de diafana homaj pulmoj kaj ostoj) kaj forte (kutime nur necesa por industriaj aŭ esplorceloj). Se tre forte elektronoj akcelitaj, kaj tiam abrupte malrapidigi ĝia (ekz, sendante solida), ĝi radias Radioterapio fotonoj. En kolizioj de ĉi tiuj elektronoj kun la substanco de la celo atomoj, elektronoj estas tiris el la malsupra ŝelo. La elektronoj supraj ŝeloj prenu sian lokon, la transiro ankaŭ elsendas ikso-radiojn.

Gamaradioj okazas en aliaj kazoj. La kernoj de atomoj, kvankam ili konsistas el multaj elementaj partikloj, karakterizas ankaŭ por malgranda grandeco, kaj tial, ili tendencas energio kvantumigo. La transiro de kernoj ekscitis stato al pli malalta, dekstra, kaj akompanita de la emisión de gama-radioj. Ajna kolapso de la reago aŭ nuklea fuzio okazas, inkluzive de la apero de gama fotonoj.

nuklea reago

Iomete pli supre, ni menciis ke atomaj kernoj estas ankaŭ submetitaj al la leĝoj de la kvantuma mondo. Sed estas nature-okazantaj substancoj tiaj grandaj kernoj, ili fariĝis malstabila. Ili emas rompi malsupren en pli malgrandaj kaj pli fortika komponantojn. Ĉi tiuj, kiel la leganto jam verŝajne divenis, estas, ekzemple, plutonio kaj uranio. Kiam nia planedo formis el protoplaneda disko, ekzistis certa kvanto de radioaktivaj substancoj. Ĉar ili deprimita super tempo, transformita en aliaj kemiaj elementoj. Ankoraŭ postvivis kelkajn nondecayed uranio, kaj ĝia sumo povas juĝi, ekzemple, la aĝo de la tero. Por kemiaj elementoj kiuj havas naturan radioaktiveco, ekzistas tia karakterizaj kiel duoniĝotempo tempo. Tiu estas la tempo periodo por kiu la ceteraj nombro de atomoj de tiu speco estos duonigita. Duoniĝotempo de plutonio, ekzemple, ekzistas dudek kvar mil jaroj. Tamen, aldone al la natura radioaktiveco, ekzistas ankaŭ devigita. Se bombardi peza alfa-partiklo aŭ neŭtrono lumo atomaj kernoj, ili fendo. En ĉi tiu kazo estas tri specoj de radiado ionizante: alfa partikloj, beta partikloj, gama-radioj. Beta dekadenco de kernoj kondukas al ŝanĝo en la akuzo unuo. Alfa partikloj preni la nukleo du positrones. Gama radiado ne zorge kaj la elektromagneta kampo estas ne deviigis, sed havas la plej altan penetranta potenco. kvantumigo de energio okazas en ĉiuj kazoj, la kerno.

Milito kaj Paco

Laseroj, Rentgenradioj, studo de solidoj kaj la steloj - ĉiuj pacaj aplikoj de scio pri quanta. Tamen, nia mondo estas plena de minacoj, kaj ĉiuj volas protekti. Scienco eltiras armeaj celoj ankaŭ. En eĉ gvardio metis la mondon pure teoriaj fenomeno kiel energio kvantumigo. Iuj diskreta ajna radiado, ekzemple, estis la bazo de nukleaj armiloj. Kompreneble, liaj aplikoj akumuliĝis bataltrupoj - verŝajne la leganto rememoros Hiroshima kaj Nagasaki. Ĉiuj aliaj kialoj, premu la ruĝa butono amata estis pli malpli paca. Kiel estas ĉiam la afero de radioaktiva poluado de la medio. Ekzemple, la duona vivo de plutonio indikis supre faras la pejzaĝo en kiu tiu elemento ricevas ne kapabla por uzo dum longa tempo, preskaŭ geologia epoko.

Akvo kaj dratojn

Ni reiru al la paca uzo de la nukleaj reagoj. Ĉi tio, kompreneble, paroli pri la produktado de elektro per nuklea fisio. Tiu proceso aspektas tiel:

La kerno de la reactor komence kiel la liberaj neŭtronoj kaj ili trafis radioaktiva elemento (kutime uranio izotopo), kiu suferas alfa aŭ beta dekadenco.

Al ĉi tiu reago ne pasis en paŝo descontrolada, la kerno de la reactor konsistas el tiel nomataj malhelpas. Kutime, ĝi estas farita el grafito vergoj, kiuj estas tre bone sorbas la neŭtronojn. Modifu lia longitudo, eblas kontroli la rapideco de reago.

Rezulte, unu elemento estas transformita en alian, la nekredebla kvanto de energio liberigita. Tiu energio estas sorbita de la ujo plena de tiel nomata peza akvo (anstataŭ hidrogeno deŭterio molekuloj). Rezulte de kontakto kun la kerno de la reactor ke akvo peze poluita produktoj de radioaktiva kadukiĝo. Tio reciclaje tiu akvo estas la plej granda problemo de nuklea energio en la momento.

En la unua akvo cirkviton estas metita dua en la dua - tria. La akvo de la tria cirkvito estas jam sekuraj uzi, kaj tiu ĝiras la turbino, kiu produktas elektron.

Malgraŭ tia granda nombro da perantoj inter la energio liberigita rekte kernoj kaj la fino uzanto (ni ne forgesu pri dekoj da kilometroj de kabloj, kio ankaŭ estas perdo de potenco), tiu reago donas nekredeblan potencon. Ekzemple, nuklea centralo povas provizi elektron al la tuta areo kun gamo da industrioj.