See artikkel räägib sellest, mis on energia kvantimine ja milline on selle nähtuse tähtsus tänapäeva teadusele. Antakse nii energia diskreetsuse avastamise ajalugu kui ka aatomite kvantiseerimise rakendusalad.
Füüsika lõpp
Üheksateistkümnenda sajandi lõpus seisid teadlased dilemma ees: tol ajal tehnoloogia arengu tasemel avastati, kirjeldati ja uuriti kõiki võimalikke füüsikaseadusi. Õpilastele, kellel olid loodusteaduste valdkonnas kõrgelt arenenud võimed, ei soovitanud õpetajad füüsikat valida. Nad uskusid, et sellega pole enam võimalik kuulsaks saada, oli vaid rutiinne töö väikeste pisidetailide uurimiseks. See sobis pigem tähelepanelikule kui andekale inimesele. Foto, mis oli pigem meelelahutuslik avastus, andis aga põhjust mõelda. Kõik sai alguse lihtsatest ebakõladest. Alustuseks selgus, et valgus ei olnud täiesti pidev: teatud tingimustel jättis vesiniku põlemine fotoplaadile ühe koha asemel rida jooni. Edasi selgus, et heeliumi spektrid olidrohkem jooni kui vesiniku spektrid. Siis leiti, et mõne tähe jälg erineb teistest. Ja puhas uudishimu sundis teadlasi küsimustele vastuseid otsides käsitsi ühte kogemust teise järel panema. Nad ei mõelnud oma avastuste kaubanduslikule rakendamisele.
Plank ja kvant
Meie õnneks kaasnes selle läbimurdega füüsikas ka matemaatika areng. Sest toimuva seletamine mahtus uskumatult keerulistesse valemitesse. 1900. aastal avastas Max Planck, kes töötas musta keha kiirguse teooria kallal, et energia on kvantiseeritud. Selle väite tähenduse lühikirjeldus on üsna lihtne. Iga elementaarosake saab olla ainult teatud kindlas olekus. Kui anname umbkaudse mudeli, võib selliste olekute loendur näidata numbreid 1, 3, 8, 13, 29, 138. Ja kõik muud väärtused nende vahel on kättesaamatud. Selle põhjused avaldame veidi hiljem. Kui aga süveneda selle avastuse ajalukku, väärib märkimist, et teadlane ise pidas kuni oma elu lõpuni energia kvantiseerimist vaid mugavaks matemaatiliseks nipiks, millel polnud tõsist füüsilist tähendust.
Laine ja missa
Kahekümnenda sajandi algus oli täis elementaarosakeste maailmaga seotud avastusi. Kuid suur mõistatus oli järgmine paradoks: mõnel juhul käitusid osakesed nagu massiga (ja vastav alt ka hoogu) objektid ja mõnel juhul nagu laine. Pärast pikka ja kangekaelset arutelu pidin jõudma uskumatule järeldusele: elektronid, prootonid janeutronitel on need omadused samal ajal. Seda nähtust nimetati korpuskulaarlaine dualismiks (kakssada aastat tagasi vene teadlaste kõnes nimetati osakest korpuskliks). Seega on elektron teatud mass, justkui määritud teatud sagedusega laineks. Elektron, mis tiirleb ümber aatomi tuuma, asetab oma lained lõputult üksteise peale. Järelikult ainult teatud kaugustel tsentrist (mis sõltuvad lainepikkusest) ei tühista pöörlevad elektronlained üksteist. See juhtub siis, kui laineelektroni "pea" on asetatud selle "sabale", siis maksimumid langevad kokku maksimumidega ja miinimumid langevad kokku miinimumidega. See seletab aatomi energia kvantiseerimist, st rangelt määratletud orbiitide olemasolu selles, millel elektron võib eksisteerida.
Sfääriline nanohobune vaakumis
Reaalsed süsteemid on aga uskumatult keerulised. Ülalkirjeldatud loogikat järgides saab siiski aru elektronide orbiitide süsteemist vesinikus ja heeliumis. Kuid juba on vaja täiendavaid keerukaid arvutusi. Et õppida, kuidas neid mõista, uurivad kaasaegsed õpilased osakeste energia kvantifitseerimist potentsiaalses kaevus. Alustuseks valitakse ideaalse kujuga kaev ja üks mudelelektron. Nende jaoks lahendavad nad Schrödingeri võrrandi, leiavad energiatasemed, millel elektron võib olla. Pärast seda õpitakse otsima sõltuvusi, võttes kasutusele üha uusi muutujaid: kaevu laius ja sügavus, elektroni energia ja sagedus kaotavad oma kindlustunde, lisades võrranditele keerukust. Edasisüvendi kuju muutub (näiteks muutub see profiililt kandiliseks või sakiliseks, selle servad kaotavad sümmeetria), võetakse hüpoteetilisi kindlaksmääratud omadustega elementaarosakesi. Ja alles siis õpivad nad lahendama probleeme, mis hõlmavad reaalsete aatomite ja veelgi keerukamate süsteemide kiirgusenergia kvantifitseerimist.
Momentum, nurkimpulss
Samas, näiteks elektroni energiatase on enam-vähem arusaadav suurus. Nii või teisiti kujutavad kõik ette, et keskkütte akude suurem energia vastab korteri kõrgemale temperatuurile. Sellest lähtuv alt võib energia kvantiseerimist siiski spekulatiivselt ette kujutada. Füüsikas on ka mõisteid, mida on raske intuitiivselt mõista. Makrokosmoses on impulss kiiruse ja massi korrutis (ärge unustage, et kiirus, nagu ka impulss, on vektorsuurus, see tähendab, et see sõltub suunast). Just tänu hooga on selge, et aeglaselt lendav keskmise suurusega kivi jätab sinika alles siis, kui ta inimest tabab, samas kui suurel kiirusel tulistatud väike kuul tungib kehast läbi ja läbi. Impulss on mikrokosmoses selline suurus, mis iseloomustab osakese seost ümbritseva ruumiga, samuti selle võimet liikuda ja suhelda teiste osakestega. Viimane sõltub otseselt energiast. Seega saab selgeks, et osakese energia ja impulsi kvantifitseerimine peavad olema omavahel seotud. Veelgi enam, konstant h, mis tähistab füüsikalise nähtuse väikseimat võimalikku osa ja näitab suuruste diskreetsust, sisaldub valemis jaosakeste energia ja impulss nanomaailmas. Kuid intuitiivsest teadlikkusest veelgi kaugemal on mõiste – impulsi hetk. See viitab pöörlevatele kehadele ja näitab, milline mass ja millise nurkkiirusega pöörleb. Tuletage meelde, et nurkkiirus näitab pöörlemiskiirust ajaühikus. Nurkmoment suudab määrata ka pöörleva keha aine jaotumise: sama massiga objektidel, mis on koondunud pöörlemistelje lähedusse või perifeeriasse, on erinev nurkimment. Nagu lugeja ilmselt juba arvab, on aatomi maailmas nurkimpulsi energia kvantifitseeritud.
Kvant ja laser
Energia ja muude suuruste diskreetsuse avastamise mõju on ilmne. Üksikasjalik maailma uurimine on võimalik ainult tänu kvantile. Kaasaegsed aine uurimismeetodid, erinevate materjalide kasutamine ja isegi nende loomise teadus on loomulik jätk mõistmisele, mis on energia kvantimine. Tööpõhimõte ja laseri kasutamine pole erand. Üldiselt koosneb laser kolmest põhielemendist: töövedelik, pumpav ja peegeldav peegel. Töövedelik valitakse nii, et selles oleks elektronide jaoks kaks suhteliselt lähedast taset. Nende tasemete kõige olulisem kriteerium on nendel olevate elektronide eluiga. See tähendab, kui kaua elektron suudab teatud olekus vastu pidada, enne kui liigub madalamasse ja stabiilsemasse asendisse. Kahest tasemest peaks ülemine olema pikema elueaga. Seejärel pumpamine (sageli tavalise lambiga, mõnikord infrapuna lambiga) annab elektronidpiisav alt energiat, et nad kõik saaksid koguda energia tipptasemele ja koguneda sinna. Seda nimetatakse pöördtaseme populatsiooniks. Lisaks läheb mõni elektron footoni emissiooniga madalamasse ja stabiilsemasse olekusse, mis põhjustab kõigi elektronide lagunemise allapoole. Selle protsessi eripära on see, et kõik saadud footonid on sama lainepikkusega ja koherentsed. Kuid töökeha on reeglina üsna suur ja selles tekivad voolud, mis on suunatud erinevatesse suundadesse. Peegeldava peegli ülesanne on filtreerida välja ainult need footonivood, mis on suunatud ühes suunas. Selle tulemusena on väljundiks kitsas intensiivne sama lainepikkusega koherentsete lainete kiir. Algul peeti seda võimalikuks ainult tahkes olekus. Esimesel laseril oli töökeskkonnaks kunstlik rubiin. Nüüd on olemas igasuguseid ja tüüpi lasereid - vedelike, gaaside ja isegi keemiliste reaktsioonide jaoks. Nagu lugeja näeb, mängib selles protsessis põhirolli valguse neeldumine ja emissioon aatomi poolt. Sel juhul on energia kvantimine vaid teooria kirjeldamise aluseks.
Valgus ja elektron
Tuletame meelde, et aatomis oleva elektroni üleminekuga ühelt orbiidilt teisele kaasneb kas energia emissioon või neeldumine. See energia ilmub valguskvanti või footoni kujul. Formaalselt on footon osake, kuid see erineb teistest nanomaailma elanikest. Footonil pole massi, kuid tal on hoog. Seda tõestas vene teadlane Lebedev 1899. aastal, näidates selgelt valguse survet. Footon eksisteerib ainult liikumisel ja selle kiiruselvõrdne valguse kiirusega. See on meie universumi kiireim võimalik objekt. Valguse kiirus (tavaliselt tähistatud väikese ladina tähega "c") on umbes kolmsada tuhat kilomeetrit sekundis. Näiteks meie galaktika (kosmose mõistes mitte suurim) suurus on umbes sada tuhat valgusaastat. Ainega kokkupõrkel annab footon sellele oma energia täielikult, sel juhul justkui lahustub. Elektroni ühelt orbiidilt teisele liikumisel vabanev või neelduv footoni energia sõltub orbiitide vahelisest kaugusest. Kui see on väike, eraldub madala energiaga infrapunakiirgust, kui see on suur, siis saadakse ultraviolettkiirgust.
Röntgen- ja gammakiirgus
Ultraviolettkiirgusele järgnev elektromagnetiline skaala sisaldab röntgen- ja gammakiirgust. Üldiselt kattuvad need lainepikkuse, sageduse ja energia osas üsna laias vahemikus. See tähendab, et on olemas röntgenfooton lainepikkusega 5 pikomeetrit ja gammafooton sama lainepikkusega. Need erinevad ainult selle poolest, kuidas neid vastu võetakse. Röntgenikiirgus tekib väga kiirete elektronide juuresolekul ja gammakiirgust saadakse ainult aatomituumade lagunemise ja sulandumise protsessides. Röntgenikiirgus jaguneb pehmeks (kasutatakse inimese kopsude ja luude läbivaatamiseks) ja kõvaks (tavaliselt on seda vaja ainult tööstuslikul või teaduslikul eesmärgil). Kui kiirendate elektroni väga tugev alt ja seejärel järsult aeglustate (näiteks suunates selle tahkesse kehasse), siis kiirgab see röntgeni footoneid. Kui sellised elektronid ainega kokku põrkuvad, puhkevad sihtaatomid väljaelektronid madalamatelt kestadelt. Sel juhul võtavad oma koha ülemiste kestade elektronid, mis kiirgavad ülemineku ajal ka röntgenikiirgust.
Gamma kvantid esinevad muudel juhtudel. Aatomite tuumad, kuigi nad koosnevad paljudest elementaarosakestest, on samuti väikese suurusega, mis tähendab, et neid iseloomustab energia kvantimine. Tuumade üleminekuga ergastatud olekust madalamasse olekusse kaasneb täpselt gammakiirguse emissioon. Kõik tuumade lagunemis- või ühinemisreaktsioonid toimuvad, sealhulgas gamma-footonite ilmumisega.
Tuumareaktsioon
Natuke kõrgemal mainisime, et ka aatomituumad järgivad kvantmaailma seadusi. Kuid looduses on nii suurte tuumadega aineid, et need muutuvad ebastabiilseks. Need kipuvad lagunema väiksemateks ja stabiilsemateks komponentideks. Nende hulka kuuluvad, nagu lugeja ilmselt juba aimab, näiteks plutoonium ja uraan. Kui meie planeet tekkis protoplanetaarsest ketast, oli sellel teatud kogus radioaktiivseid aineid. Aja jooksul need lagunesid, muutudes muudeks keemilisteks elementideks. Kuid siiski on teatud kogus lagunemata uraani säilinud tänapäevani ja selle koguse järgi saab hinnata näiteks Maa vanust. Loodusliku radioaktiivsusega keemiliste elementide puhul on selline omadus nagu poolestusaeg. See on ajavahemik, mille jooksul seda tüüpi järelejäänud aatomite arv väheneb poole võrra. Plutooniumi poolestusaeg on näiteks kakskümmend neli tuhat aastat. Kuid lisaks looduslikule radioaktiivsusele on ka sunnitud. Raskete alfaosakeste või kergete neutronitega pommitades lagunevad aatomite tuumad laiali. Sel juhul eristatakse kolme tüüpi ioniseerivat kiirgust: alfaosakesed, beetaosakesed, gammakiirgus. Beeta-lagunemine põhjustab tuumalaengu muutumise ühe võrra. Alfaosakesed võtavad tuumast kaks positronit. Gammakiirgusel puudub laeng ja elektromagnetväli ei lase seda kõrvale, kuid sellel on suurim läbitungimisvõime. Energia kvantimine toimub kõigil tuumalagunemise juhtudel.
Sõda ja rahu
Laserid, röntgenikiirgus, tahkete ainete ja tähtede uurimine – kõik need on kvantiteadmiste rahumeelsed rakendused. Meie maailm on aga täis ohte ja igaüks püüab end kaitsta. Teadus teenib ka sõjalisi eesmärke. Isegi selline puht alt teoreetiline nähtus nagu energia kvantiseerimine on pandud maailma valvama. Näiteks mis tahes kiirguse diskreetsuse määratlus oli tuumarelvade aluseks. Muidugi on selle lahingurakendusi vaid üksikud – ilmselt mäletab lugeja Hiroshimat ja Nagasakit. Kõik muud põhjused ihaldatud punase nupu vajutamiseks olid enam-vähem rahumeelsed. Samuti on alati küsimus keskkonna radioaktiivsest saastatusest. Näiteks plutooniumi ül altoodud poolestusaeg muudab maastiku, kuhu see element siseneb, väga pikaks ajaks kasutuskõlbmatuks, peaaegu geoloogiliseks ajastuks.
Vesi ja juhtmed
Pöördume tagasi tuumareaktsioonide rahumeelse kasutamise juurde. Me räägime muidugi elektri tootmisest tuuma lõhustumise teel. Protsess näeb välja selline:
SüdamikusReaktoris ilmuvad esm alt vabad neutronid ja seejärel tabavad nad radioaktiivset elementi (tavaliselt uraani isotoopi), mis läbib alfa- või beetalagunemise.
Et vältida selle reaktsiooni sattumist kontrollimatusse etappi, sisaldab reaktori südamik niinimetatud moderaatoreid. Reeglina on need grafiitvardad, mis neelavad neutroneid väga hästi. Nende pikkust reguleerides saate jälgida reaktsioonikiirust.
Selle tulemusena muutub üks element teiseks ja vabaneb uskumatult palju energiat. Seda energiat neelab nn raske veega täidetud anum (deuteeriumi molekulides vesiniku asemel). Reaktori südamikuga kokkupuutel on see vesi tugev alt saastunud radioaktiivsete lagunemissaadustega. Just selle vee kõrvaldamine on praegu tuumaenergia suurim probleem.
Teine asetatakse esimesse veeringi, kolmas asetatakse teise. Kolmanda ahela vett on juba ohutu kasutada ja see on see, kes keerab turbiini, mis toodab elektrit.
Hoolimata nii suurest vahendajate hulgast otse genereerivate südamike ja lõpptarbija vahel (ärgem unustagem kümneid kilomeetreid juhtmeid, mis ka voolu kaotavad), annab see reaktsioon uskumatu võimsuse. Näiteks võib üks tuumaelektrijaam varustada elektriga tervet piirkonda, kus on palju tööstusi.
