Kvantování energie elektronu v atomu. Způsob získání energie v reaktoru s pomalými neutrony

Tento článek vypráví o tom, co je kvantizace energie a jakou hodnotu má tento fenomén pro moderní vědu. Objevuje se historie objevu diskrétnosti energie a prokazují se i oblasti aplikace kvantování atomů.

Konec fyziky

Na konci devatenáctého století, dilema vědců: tehdejší stávající úroveň technologie, všechny možné fyzikální zákony byly objeveny, je popsáno a studoval. Studenti, kteří měli silnou schopnost v přírodních vědách, nebyli poučeni učiteli, aby si vybrali fyziku. Domnívali se, že již není možné, aby se v něm stali slavnými, pouze rutinní práce na studiu menších drobných detailů zůstaly. Tato vhodnější pozorná osoba, nikoli nadaná osoba. Nicméně fotografování, které bylo spíš zábavným objevem, dalo důvod myslet. Všechno to začalo s jednoduchými nesrovnalostmi. Za prvé se ukázalo, že světlo není zcela kontinuální: za určitých podmínek hořící vodík nechal na fotografické desce řadu čar, namísto jediného místa. Dále bylo objasněno, že heliové spektra mají více čar než spektra vodíku. Pak bylo zjištěno, že stopa některých hvězd se liší od ostatních. A čistá zvědavost přiměla badatele k tomu, aby jednou za druhou vyhledávali odpovědi na otázky. Neměli přemýšlet o komerční aplikaci svých objevů.

Plank a Quantum

Naštěstí pro nás byl tento průlom ve fyzice doprovázen rozvojem matematiky. Protože vysvětlení toho, co se dělo, se vejde do neuvěřitelně složitých formulací. V roce 1900 zjistil, že Max Planck, pracující na teorii černého tělesného záření, zjistil, že kvantizace energie nastává. Stručně popsat význam tohoto tvrzení je poměrně jednoduchý. Jakékoliv elementární částice mohou existovat pouze v určitých konkrétních stavech. Pokud dáváme hrubý model, potom počítadlo těchto států může ukazovat čísla 1, 3, 8, 13, 29, 138. A všechny ostatní hodnoty mezi nimi jsou nepřístupné. Důvody pro to budeme zveřejňovat o něco později. Nicméně, pokud se ponoříte do historie tohoto objevu, stojí za zmínku, že vědec sám až do konce svého života zvažoval kvantování energie jen vhodný matematický trik, který nemá dostatečný fyzický význam.

Vlna a hmotnost

Počátek dvacátého století byl plný objevů spojených se světem elementárních částic. Největším tajemstvím však bylo následující paradox: v některých případech se částice chovaly jako předměty s hmotou (a odpovídajícím způsobem impulsem) a v některých případech jako vlna. Po dlouhých a tvrdohlavých argumentech bylo nutné dospět k neuvěřitelnému závěru: elektrony, protony a neutrony mají tyto vlastnosti současně. Tento jev získal jméno dualismu korpuskulárních vln (v řeči ruských vědců před dvěma sty lety byla částice nazývána "corpuscle"). Takže elektron je určitou hmotou, protože je rozmazaný do vlny určité frekvence. Elektron, který se otáčí kolem jádra atomu, nekonečně překrývá vlny na sobě. V důsledku toho se otáčejí pouze v určitých vzdálenostech od středu (které závisí na vlnové délce) elektronové vlny a nehasnou. K tomu dochází tehdy, když je "hlava" vlnového elektronu aplikována na "ocas", maxima se shodují s maximami a minima se shodují s minimy. To vysvětluje kvantizaci energie atomu, tj. Přítomnost v ní striktně definovaných oběžných dráh, na kterých může existovat elektron.

Sférický nanokonv ve vakuu

Reálné systémy jsou však neuvěřitelně složité. Při výše popsané logice lze stále pochopit systém elektronových oběžných drah v oblasti vodíku a hélia. Je však zapotřebí další složité výpočty. Chcete-li se naučit, jak je chápat, moderní studenti studují kvantování energie z částic v potenciální studni. Nejprve je vybrán ideální tvar jámy a jeden elektronový model. Pro ně vyřešit Schrodingerovu rovnici, najít energetické úrovně, na kterých může být elektron umístěn. Poté, co se učíme hledat závislost, zavádíme stále více a více proměnných: šířka a hloubka vrtu, energie a frekvence elektronu ztrácejí jistotu a dodávají složitosti rovnicím. Dále se změní tvar jámy (například se v profilu stává čtvercový nebo zubatý, jeho okraje ztrácejí symetrii), berou se do úvahy hypotetické elementární částice s danými charakteristikami. A teprve pak se naučí řešit problémy, v nichž se objevuje kvantizace radiační energie skutečných atomů a ještě složitějších systémů.

Impuls, momentální hybnost

Avšak úroveň energie, například elektron, je ještě více či méně srozumitelnou hodnotou. Všichni, jedna cesta nebo druhá, ale představte si, že vyšší energie baterií pro ústřední topení odpovídá vyšší teplotě v bytě. Kvantizaci energie je tedy stále možné představit. Existují také takové pojmy ve fyzice, které jsou intuitivně obtížné pochopit. V makrokosmu je hybnost výsledkem rychlosti a hmotnosti (nezapomínáme na to, že rychlost, jako hybnost, jsou vektorová veličina, to znamená, že závisí na směru). Je to díky impulsu, že je zřejmé, že pomalu se pohybující průměrný kámen zanechá modřinu pouze v případě, že dojde k zasažení člověka, zatímco malá peleta uvolněná velkou rychlostí propichne tělo skrz a dovnitř. V mikrokosmu je impulsem množství, které charakterizuje vztah částice k okolnímu prostoru, stejně jako jeho vlastnost pohybu a interakce s jinými částicemi. Ten druhý závisí přímo na energii. Je tedy zřejmé, že kvantizace energie částic a hybnosti musí být vzájemně propojeny. Navíc konstanta h, která označuje nejmenší možnou část fyzického jevu a ukazuje diskrétnost veličin, vstupuje do vzorce jak energie, tak hybnosti částic v nanoworld. Ale existuje ještě koncept od intuitního vědomí - okamžiku impulsu. To se týká rotujících těles a udává, kolik a na jaké úhlové rychlosti to rotuje. Připomeňme, úhlová rychlost ukazuje počet otáček za jednotku času. Točivý moment je také schopen hlásit metodu přidělování rotačního tělesa látky: objekty se stejnou hmotou, ale střed kolem osy otáčení, nebo na obvodu bude mít odlišnou moment hybnosti. Jak čtenář pravděpodobně již uhodl, ve světě atomu je kvantovaná energie momentu hybnosti.

Kvantová a laserová

Vliv objevování diskrétnosti energie a dalších veličin je zřejmý. Podrobné studium světa je možné pouze kvantovou cestou. Moderní metody studia hmoty, používání různých materiálů a dokonce věda jejich tvorby - přirozené pokračování v pochopení toho, co je kvantizace energie. Princip činnosti a použití laseru není výjimkou. Obecně se laser skládá ze tří hlavních prvků: pracovní médium, čerpadlo a zrcadlový reflektor. Pracovní těleso je vybráno takovým způsobem, že v něm jsou dvě relativně blízké úrovně elektronů. Nejdůležitějším kritériem pro tyto úrovně je životnost elektronů na nich. To znamená, kolik elektronu může přežít v určitém stavu, než se dostane do nižší a stabilnější pozice. Ze dvou úrovní by měla být delší jedna delší. Poté (často - obyčejná lampa, někdy i infračervená lampa) dává elektronům dostatek energie, aby se všichni shromažďovali na horní úrovni energie a hromadili se tam. Toto se nazývá inverzní populace úrovní. Dále, jeden elektron pronikne do nižšího a stabilního stavu s emisí fotonu, což způsobí zhroucení všech elektronů dolů. Zvláštností tohoto procesu je to, že všechny výsledné fotony mají stejnou vlnovou délku a jsou koherentní. Pracovní médium je zpravidla poměrně velké a v něm jsou vytvářeny toky, směrované v různých směrech. Úlohou zrcadla zrcadla je odfiltrovat pouze toky fotonů, které směřují na jednu stranu. Výsledkem je úzký intenzivní paprsek koherentních vln stejné vlnové délky na výstupu. Nejprve to bylo považováno za možné pouze v pevném těle. První laser měl jako umělé médium umělý rubín. Nyní existují lasery všech typů a typů - na kapaliny, plyn, a dokonce i na chemické reakce. Jak čtenář vidí, hlavní roli v tomto procesu hraje absorbce a emise světla atomem. Kvantizace energie v tomto případě je pouze základem pro popis teorie.

Světlo a elektron

Připomeňme, že přechod elektronu v atomu z jedné orbity na druhou je doprovázen emisí nebo absorpcí energie. Tato energie se objeví jako kvantum světla nebo fotonu. Formálně je foton částečkou, ale liší se od ostatních obyvatel nanoworld. Foton nemá hmotu, ale má impuls. To dokázal ruský vědec Lebeděv v roce 1899, což jasně demonstruje tlak světla. Foton existuje pouze v pohybu a jeho rychlost se rovná rychlosti světla. To je nejrychlejší možný objekt v našem vesmíru. Rychlost světla (standardně označovaná malou latinkou "c") je asi tři sta tisíc kilometrů za sekundu. Například velikost naší galaxie (ne největší podle vesmírných norem) je asi sto tisíc světelných let. S fotonovou látkou, která stojí proti nějaké látce, jí dodává energii úplně, jako kdyby se zároveň rozpouštěla. Energie fotonu, která se uvolňuje nebo absorbuje během přechodu elektronu z jedné oběžné dráhy na druhou, závisí na vzdálenosti mezi oběžnou dráhou. Je-li malá, uvolní se infračervené záření s nízkým množstvím energie, pokud je získáno velké množství ultrafialového záření.

Rentgenové a gama záření

Elektromagnetická škála po ultrafialovém záření obsahuje rentgenové záření a gama záření. Obecně se překrývají v širokém rozsahu vlnových délek, frekvenci a energii. To znamená, že existuje rentgenový foton s vlnovou délkou 5 pikometrů a gamma-fotonem se stejnou vlnovou délkou. Odlišují se pouze způsobem, jakým jsou získávány. Rentgenové záření vznikají za přítomnosti velmi rychlých elektronů a záření gama se získává pouze v procesech rozpadu a fúze atomových jader. Rentgen je rozdělena do mírné (pomocí průsvitných lidské plíce a kosti) a tvrdý (obvykle nutné pouze pro průmyslové nebo výzkumné účely). V případě velmi silně zrychlilo elektrony, a pak se náhle zpomalit jeho (např zasláním pevná látka), bude vyzařovat rentgenové fotony. Při srážkách těchto elektronů s hmotou jsou elektrony z cílových atomů vysunuty z dolních skořepin. V tomto případě elektrony horních skořepin zaujímají své místo a během přechodu také vyzařují rentgenové záření.

Gamma quanta vzniká v jiných případech. Jádra atomů, i když se skládají z mnoha elementárních částic, se také liší v malých rozměrech, což znamená, že jsou charakterizovány kvantizací energie. Přechod jader z excitovaného stavu do nižšího stavu je doprovázen emisí gama kvant. Jakákoliv reakce rozkladu nebo fúze jader probíhá, včetně zahájení fotonů gama.

Jaderná reakce

Trochu dříve jsme zmínili, že atomová jádra také poslouchají zákony kvantového světa. Ale v přírodě existují látky s tak velkými jádry, které se stanou nestabilní. Mají tendenci se pronikat do menších a stabilnějších součástí. Pro ně, jak čtenář již pravděpodobně odhadne, patří například plutonium a uran. Když byla naše planeta vytvořena z protoplanetárního disku, mělo určité množství radioaktivních látek. Časem se rozpadly a přeměňovaly se na další chemické prvky. Dosud však dojde k poklesu určitého množství nerozpuštěného uranu a podle jeho počtu lze posoudit například věk Země. Pro chemické prvky, které mají přírodní radioaktivita, existuje taková charakteristika jako je poločas rozpadu. Toto je doba, po kterou bude počet zbývajících atomů tohoto druhu snížen na polovinu. Poločas plutonia, například, se vyskytuje více než dvacet čtyři tisíc let. Nicméně kromě přirozené radioaktivity existuje také nucená radioaktivita. Pokud jsou těžké alfa částice nebo lehké neutrony bombardovány atomovými jádry, rozpadají se. V tomto případě se rozlišují tři typy ionizujícího záření: částice alfa, beta částice, záření gama. Beta rozklad vede ke změně jaderného náboje na jednotku. Části alfa získávají z jádra dva pozitrony. Gama záření nemá náboj a neodchází se od elektromagnetického pole, ale má největší pronikavou sílu. Kvantizace energie nastává ve všech případech jaderného úpadku.

Válka a mír

Lasery, rentgenové záření, studium těles a hvězd jsou mírumilovné aplikace znalostí o kvantách. Nicméně náš svět je plný hrozeb a každý se snaží chránit. Věda slouží jak vojenským účelům. Dokonce takový čistě teoretický jev, jako je kvantizace energie, je dáván do pozorování světa. Určení diskrétnosti jakéhokoli záření, například, stalo základem jaderných zbraní. Samozřejmě, existuje jen několik jednotek bojového použití - jistě, čtenář si pamatuje Hirošimu a Nagasaki. Při všech ostatních příležitostech stlačit červené tlačítko bylo víceméně klidné. Tam je také vždy otázka radioaktivní kontaminace životního prostředí. Například výše zmíněná polovina rozpadu plutonia způsobuje, že terén, do něhož tento prvek spadá, je nevhodný pro použití po velmi dlouhou dobu, téměř v geologické době.

Voda a vodiče

Vraťme se k mírovému využití jaderných reakcí. Řeč, samozřejmě, je o výrobě elektřiny s pomocí štěpení jader. Tento proces vypadá takto:

V aktivní zóně reaktoru jsou nejprve volné neutrony a pak porazí radioaktivní prvek (obvykle izotop uranu), který prochází alfa nebo beta rozpadem.

Aby tato reakce nepřecházela do nekontrolovaného stupně, jádro reaktoru obsahuje tzv. Zpomalovače. Zpravidla se jedná o tyčinky z grafitu, které velmi dobře absorbují neutrony. Úpravou jejich délky můžete sledovat reakční rychlost.

Výsledkem je, že jeden prvek se změní na jiný a uvolní se neuvěřitelné množství energie. Tato energie je absorbována zásobníkem naplněným tzv. Těžkou vodou (namísto vodíku v molekulách deuteria). V důsledku kontaktu s jádrem reaktoru je tato voda silně kontaminována produkty radioaktivní rozpad. To je využití této vody je největším problémem jaderné energetiky v tuto chvíli.

V prvním vodním okruhu je umístěn druhý, ve druhém - třetí. Voda třetího okruhu je již bezpečná a točí turbínu, která vyrábí elektřinu.

Navzdory tak velkému počtu zprostředkovatelů mezi přímým jádrem uvolňujícím energii a koncovým uživatelem (nezapomeňte na desítky kilometrů drátů, u kterých je také ztráta energie), tato reakce dává neuvěřitelnou sílu. Jedna jaderná elektrárna například může dodávat elektřinu s celou oblastí s řadou průmyslových podniků.