קוונטיזציה של אנרגיה של אלקטרון באטום. שיטה של הפקת אנרגיה בכור ידי ניטרונים איטיים

מאמר זה מדבר על מה קוונטיזציה של אנרגיה ואת המשמעות של תופעה זו היא המדע המודרני. הוא מציג את ההיסטוריה של גילוי discreteness של אנרגיה, וגם הוכיח את ההיקף אטום בדיד.

סוף הפיזיקה

במאה התשע עשרה, הדילמה שעמדה בפני מדענים: רמת הקיימות אז הטכנולוגיה, כל החוקים האפשריים של הפיזיקה התגלו, תיאר ולמד. סטודנטים שעברו יכולות מפותחות בתחום המדעים, המורה מומלץ לא לבחור פיסיקה. הם האמינו כי ופיארו אותה הוא כבר לא אפשרי, רק היתה עבודה שגרתית לחקר הפרטים הקטנים קטנים. זה יותר מתאים לאדם זהיר, לא מוכשר. עם זאת, התמונה כי הוא יותר משעשע הייתה הגילוי נתן הזדמנות להרהר. הכל התחיל עם סתירות פשוטות. ראשית, התברר כי האור אינו מוצק למדי: בתנאים מסוימים, שריפת המימן השאירה על מספר הלוחית של קווים במקום רק נקודה אחת. יתר על כן, נמצא כי הספקטרום של הליום היה יותר שורות מאשר ספקטרום המימן. ואז התגלה כי השובל של כוכב אחד הוא שונה מהאחרים. וזה החוקרים אילצו סקרנות טהורה ידני לשים ניסיון בזה אחר זה בחיפוש אחר תשובות לשאלות. על שימוש מסחרי התגליות שלהם הוא לא חשב על.

פלאנק ו קוונטית

למזלנו, זו פריצת דרך בפיזיקה לוותה בהתפתחות המתמטיקה. בגלל ההסבר של מה שקורה בכושר לתוך נוסחה מורכבת להפליא. בשנת 1900, מקס פלאנק, לעבוד על התיאוריה של קרינה של גוף שחור לחלוטין, מצאו האנרגיה כי הוא בדיד. אמור לנו בקצרה על המשמעות של הצהרה זו היא די פשוטה. כל חלקיקים יסודיים יכולים להיות רק כמה תנאים ספציפיים. אם לגרום מודל גס, הדלפק עשוי להראות מדינות כאלה של 1, 3, 8, 13, 29, 138. כל הערכים האחרים אינם זמינים ביניהם. הסיבות לכך שאנחנו נחשוף מאוחר יותר. עם זאת, אם אתה צולל לתוך הסיפור של תגלית זו, ראוי לציין כי המדען נחשב קוונטיזציה האנרגיה של סוף החיים היא רק טריק מתמטי נוח, הוא לא ניחן בתחושה פיזית חמורה.

גל ומשקל

תחילת המאה עשרים הייתה רווית התגליות הקשורות לעולם של חלקיקים יסודיים. אבל התעלומה הגדולה הוא הפרדוקס הבא: בחלק ממקרים, החלקיקים מתנהגים כמו עצמים בעלי מסה (ולכן מומנטום), וחלקם - כמו גל. לאחר מחלוקות ארוכות ועיקשות הגיעו למסקנה הסבירה: אלקטרונים, פרוטונים וניטרונים יש תכונות אלה בעת ובעונה אחת. תופעה זו נקראת דואליות גל-חלקיק (ב הנאום של מדענים רוסים לפני מאתיים שנה חלקיק גופיף המכונה). לפיכך, אלקטרון היא מסה מסוימת, כפי שהיא נמרחה בגל של תדר מסוים. אלקטרונית אשר מסתובב סביב גרעין האטום, אינסוף מטיל גלי על אחד אחר. כתוצאה מכך, רק במרחקים מסוימים מהמרכז (אשר תלוי באורך הגל), מסתובב גל האלקטרון, לא מבטל זה את זה. מצב זה מתרחש כאשר בבית ההטלה "הראש" של גל האלקטרון על "הזנב" השיאים שלה לחפוף עם המרביים ואת המינימום - מינימום. זה מסביר את קוונטיזציה של האנרגיה של האטום, כלומר, הנוכחות של מסלולים מוגדרים היטב שבו האלקטרון יכול להתקיים.

nanokon כדורי בריק

עם זאת, מערכות אמיתיות הן מורכבות מאוד. ציות ההיגיון המתואר לעיל ניתן מערכת מסלולי אלקטרונים הבינה נוספת מימן והליום. עם זאת, מכאן ואילך צורך ולא חישובים מורכבים. כדי ללמוד כיצד להבין סטודנטים מודרניים ללמוד את האנרגיה קוונטיזציה של חלקיק בבור פוטנציאל. ראשית, לבחור בצורה האידיאלית של בור ומודל אלקטרון בודד. כדי לפתור משוואת שרדינגר אלה רמות האנרגיה בהן אלקטרון יכול להיות. לאחר הלמידה לחפש תלות, מציגה משתנית נוסף: הרוחב והעומק של הבאר, את האנרגיה ואת התדירות של האלקטרון מאבד היווה המוגדרת, הוספת משוואות מורכבות. צורה בורה נוספת הוא השתנתה (כלומר, הוא הופך להיות פרופיל מרובע או שיניים, את הקצוות לאבד הסימטריה שלו), נלקח חלקיקים יסודיים היפותטית עם תכונות רצויות. ורק אז ללמוד לפתור בעיות שבהן מופיע קוונטיזציה אנרגיית קרינה של אטומים אמיתיים ומערכות מורכבות עוד יותר.

מומנטום אימפולס

עם זאת, רמת האנרגיה, למשל, אלקטרון - היא פחות או יותר ברור ערך. כל, בדרך זו או אחרת, אך נראה כי ככל שעולה האנרגיה של סוללת ההסקה המרכזית, ככל שהטמפרטורה גבוהה בדירה. בהתאם לכך, קוונטיזציה של אנרגיה היא עדיין אפשרי לדמיין את המוח. ישנם גם מושג בפיסיקה הגיונית קשה אינטואיטיבית. המומנטום הוא מהירות מאקרו המוצר לקרקע (לא לשכוח כי את המהירות ואת התנע של שניהם - גודל הווקטור, דהיינו העצמאית של הכיוון). זה נובע דחף ברור כי הערך הממוצע טס לאט אבן פשוט להשאיר חבורה, אם אתה נופל לתוך גבר, אז כמו כדור קטן, ירה במהירות גבוהה, פורץ דרך הגוף. בשנת הדופק מיקרו אותו - זה בכמות כזו המאפיינת את היחסים של החלקיק עם המרחב שמסביב, כמו גם לנווט קניינה ו אינטראקציה עם חלקיקים אחרים. זו האחרונה הוא תלוי באופן ישיר על האנרגיה. לפיכך, מתברר כי קוונטיזציה של אנרגיה ותנע של החלקיק צריכה להיות מחוברת. יתר על כן, h הקבוע, אשר מציין את החלק הנמוך ביותר האפשרי של התופעה הפיסית ומראה ערכים בדידים נכלל בנוסחא ואת המרץ והתנופה של החלקיקים בעולם הנו. אבל יש מושג אפילו יותר רחוק מן המודעות אינטואיטיבי - המומנטום. זה מתייחס הגופים מסתובבים ואמצעים מה מסה לבין מהירות הזוויתית מסתובבת. נזכיר, המהירות הזוויתית מציין את עוצמת הסיבוב ליחידת זמן. התנע הזוויתי הוא גם מסוגל לדווח שיטת הקצאה של חומר בגוף מסתובב: אובייקטים עם אותה המסה אבל מרוכז על ציר הסיבוב או על הפריפריה יהיה תנע זווית שונה. כפי שהקורא בטח כבר נחש, בעולם אטום הוא קוונטיזציה אנרגיה של תנע זוויתי.

Quantum ו- לייזר

ההשפעה של פתיחת אנרגיה בדידה וכמויות אחרות ברורות. מחקר מפורט של העולם הוא רק הודות הקוונטים. שיטות מודרניות של לימוד החומר, שימוש בחומרים שונים ואפילו המדע ליצור אותם - הרחבה טבעית של קוונטיזציה מה האנרגיה הבנה. עקרון הפעולה ואת השימוש בלייזר - אינו יוצא דופן. באופן כללי, הליזר מורכב משלושה אלמנטים בסיסיים: הנוזל עובד, ומראה רפלקטור משאבה. נוזל העובדים נבחר כך קיימות שני יחסית קרובים לרמה של אלקטרונים. הקריטריון החשוב ביותר עבור רמות אלו הוא החיים של אלקטרונים עליהם. כלומר כמה האלקטרון הוא מסוגל לשרוד במדינה מסוימת לפני להיכנס למיקום נמוך ויציב. מבין שתי הרמות צריכות להיות קבוע לטווח ארוך יותר עליונות. ואז שאיבה (לעתים קרובות - נורה רגילה, ולפעמים - אינפרא אדום) נותן האלקטרונים מספיק אנרגיה כדי התכנסו כולם במפלס העליון של אנרגיה שנצבר שם. זה נקרא רמות היפוך אוכלוסייה. יתר על כן, כמה מהלכים אלקטרון אחד למצב נמוך ויציב עם פליטה של פוטון, גרימת הפרעה של אלקטרונים למטה. התכונה של התהליך הזה היא שכל פוטונים ובכך מתקבלים יש אותו אורך גל קוהרנטי. עם זאת, זורם עובר בדרך כלל גדול מספיק, וזה שנוצר תזרים המכוון לכיוונים שונים. תפקידה של מראה רפלקטור הוא לסנן רק את אותם זרמים של פוטונים, אשר יש את אותו הכיוון. כתוצאה מכך, התפוקה היא קרן בעלת עצמה צרה של גלי קוהרנטית של אותו הגל. בהתחלה, זה היה חשב שאפשר רק מוצק. הלייזר הראשון היה boule כמו נוזל עובד. עכשיו, יש לייזרים מכל הסוגים והסוגים - נוזלים, גז, ואפילו תגובות כימיות. כפי שהקורא רואה, התפקיד העיקרי בתהליך זה הוא שיחק על ידי קליטה ופליטה של אור על ידי אטום. קוונטיזציה של אנרגיה במקרה זה היא רק הבסיס לתיאור התאוריה.

אור אלקטרונים

נזכיר כי המעבר של אלקטרון באטום מהמסלול אחת לאחרת מלווה או פליטה או קליטה של אנרגיה. אנרגיה זה מופיע תחת פוטון של אור, או פוטון. פורמלית, הפוטון הוא חלקיק, אבל על שאר התושבים הנו שונה. יש פוטון אין מסה, אבל יש מומנטום. הוא הוכיח שהוא עדיין רוסית המדען לבדב ב 1899, בבירור הוכיח את הלחץ של אור. פוטון קיים רק תנועה ומהירות שלה היא מהירות האור. זו היא המהירה ביותר האפשרי אובייקט ביקום שלנו. מהירות האור (המצוין בדרך כלל על ידי "ג" לטיני קטן) הוא כשלוש מאות אלף קילומטרים בשנייה. לדוגמה, בגודל של הגלקסיה שלנו (לא גדול מאוד על סטנדרטים שטח) הוא כמאה אלף שנות אור. לנוכח העניין, הפוטון נותן לו את כוחו לגמרי, כאילו מומס זה. אנרגיית פוטון, אשר משתחרר או נספג במעבר של אלקטרון ממסלולו אחד למשנהו תלוי במרחק בין המסלולים. אם הוא קטן - בולט קרני אינפרא אדום עם אנרגיה נמוכה, אם גדול - אולטרה סגול.

צילומי רנטגן וקרני גמא

מגוון אלקטרומגנטית לאחר אולטרה סגול כולל קרינת רנטגן גמא. באופן כללי הם הגל, התדר והאנרגיה הם חפפו מגוון רחב למדי. כלומר, קיים פוטון רנטגן עם אורך גל של 5 picometers ו פוטון גמא של אותו הגל. הם נבדלים זה מזה רק בדרך של הכנה. רנטגן מתרחשת בנוכחות של אלקטרונים מאוד מהר, קרינת גמא מתקבלת רק בתהליכי התפוררות התקבצות של גרעינים. צילומים רנטגן מחולק מתון (בעזרת ריאות אנושיות שקופות ועצמות) וקשה (בדרך כלל רק הכרחי למטרות תעשייתיות או מחקר). אם אלקטרונים מואצים מאוד חזק, ואז בפתאומיות להאט שלה (למשל, שליחה מוצקה), זה יהיה להקרין פוטוני רנטגן. בהתנגשויות של האלקטרונים האלה עם החומר של אטומי היעד, אלקטרונים נמשכים החוצה מן הקליפה התחתונה. אלקטרוני פגזים עליונים לתפוס את המקומם, את המעבר גם פולטים קרינת רנטגן.

קרני גמא מתרחשות במקרים אחרים. גרעיני אטומים, למרות שהם מכילים חלקיקים יסודיים רבים, מאופיין גם על ידי גודל קטן, ולכן, הם נוטים קוונטיזציה אנרגיה. המעבר של גרעינים מתרגש המדינה נמוך, נכון, ומלווה על ידי פליטה של קרני גמא. כל קריסה של התגובה או היתוך גרעיני מתרחש, כולל הופעתה של פוטונים.

תגובה גרעינית

מעט מעל, הזכרנו כי גרעין אטום כפוף גם לחוקי העולם הקוונטי. אבל יש טבעיים המתחוללים חומרי ליבות גדולות כזה, הם הופכים יציבים. הם נוטים להישבר לרכיבים קטנים יותר וחזקים יותר. אלה, כפי שהקורא כנראה ניחש, הם, למשל, פלוטוניום ואורניום. כאשר כוכב הלכת שלנו יצרו מדיסק protoplanetary, היתה כמות מסוימת של חומרים רדיואקטיביים. מאז שהם רקובים לאורך זמן, הופך יסודות כימיים אחרים. עם זאת שרדו מספר אורניום nondecayed, וסכומה ניתן לשפוט, למשל, גילו של כדור הארץ. עבור יסודות כימיים אשר יש רדיואקטיביות טבעית, ישנו מאפיין כגון זמן מחצית חיים. זהו פרק הזמן שבו מספר הנותרים של אטומים מסוג זה יהיה חצוי. זמן מחצית החיים של פלוטוניום, למשל, קיימים שנים עשרים וארבעה אלף. עם זאת, בנוסף הרדיואקטיביות הטבעית, יש גם כופה. אם להפציץ כבד אלפא-חלקיק או אור נויטרונים גרעין האטום, הם לפצח. במקרה זה ישנם שלושה סוגים של קרינה מייננת: חלקיקי אלפא, בטא חלקיקים, קרני גמא. התפרקות בטא של גרעינים מוביל שינוי ביחידת הטעינה. חלקיקי אלפא לקחת את הגרעין שני פוזיטרונים. קרינת גמא אינה טעונה והשדה האלקטרומגנטי הוא לא מוסח, אבל יש לו את הכוח החודר הגבוהה ביותר. קוונטיזציה של אנרגיה מתרחשת בכל המקרים, את הגרעין.

מלחמה ושלום

לייזרים, צילומי רנטגן, מחקר של מוצקים והכוכבים - כל היישומים שלווים ידע על הקוונטים. עם זאת, העולם שלנו מלא של איומים, וכולם רוצים להגן על עצמם. מדע משמש למטרות צבאיות מדי. על אף שומר לשים בעולם תופעה תיאורטית גרידא כמו קוונטיזציה אנרגיה. מסוימת דיסקרטית שום קרינה, למשל, היווה את הבסיס של נשק גרעיני. כמובן, ביחידות קרביות שנצברו ושימושיה - סביר הקורא יזכור הירושימה ונגסאקי. כל המסיבות אחרות, לחצו על הכפתור האדום יקרים זה היה פחות או יותר שלווים. כמו כן, הוא תמיד בשאלה של זיהום רדיואקטיבי בסביבה. לדוגמא, זמן מחצית החיים של פלוטוניום שצוין לעיל הופכים את הנוף שבו אלמנט זה נהיה ראוי לשימוש במשך זמן רב מאוד, כמעט עידן גיאולוגי.

מים וחוטים

תן לנו לחזור השימוש השקט בתגובות גרעיניות. זה, כמובן, מדבר על ייצור חשמל באמצעות של ביקוע גרעיני. תהליך זה נראה כך:

ליבת הכור בתחילה כמו נויטרונים חופשיים אז הם פגעו יסוד רדיואקטיבי (בדרך כלל איזוטופ האורניום), אשר עובר קרינת אלפא או בטא.

לתגובה זו לא עברה בשלב מבוקר, ליבת הכור מהווה retarders שנקרא. ככלל, זה עשוי מוטות גרפיט, אשר הם גם מאוד לספוג נויטרונים. על ידי התאמת האורך שלהם, אפשר לנטר את קצב התגובה.

כתוצאה מכך, אלמנט אחד הופך אחר, הסכום המדהים של אנרגיה משתחררת. אנרגיה זו נספגת על ידי מיכל מלא מים כבדים שנקרא (במקום מולקולות דאוטריום מימן). כתוצאה ממגע עם ליבת הכור כי המים מזוהמים בכבדות מוצרים של התפרקות רדיואקטיבית. מי מחזור זו זו הבעיה הכי הגדולה של אנרגיה גרעינית כרגע.

במעגל המים הראשון מושם שני השנייה - השלישי. המים של המעגל השלישי הם כבר בטוחים לשימוש, וכי היא הופכת את הטורבינה, אשר מייצרת חשמל.

למרות מספר כה גדול של מתווכים בין האנרגיה המשתחררת ישירות ליבות למשתמש הקצה (ובואו לא נשכח על עשרות קילומטרים של חוטים, אשר גם אובדן כוח), התגובה זה נותן כוח עצום. לדוגמא, תחנת כוח גרעינית יכולה לספק חשמל לאזור כולו עם מגוון רחב של תעשיות.