Quantization ng enerhiya ng isang elektron sa isang atom. Ang isang paraan ng paggawa ng enerhiya sa isang reactor sa pamamagitan ng mabagal neutrons

Ang artikulong ito talks tungkol sa kung ano ang quantization ng enerhiya at ang kahalagahan ng mga ito kababalaghan ay ang modernong science. Ipinapakita nito ang kasaysayan ng pagtuklas ng discreteness ng enerhiya, at din nagpakita ang saklaw ng quantized atoms.

Dulo ng physics

Sa huli ikalabinsiyam na siglo, ang problema nahaharap sa pamamagitan ng mga siyentipiko: ang pagkatapos ay umiiral na antas ng teknolohiya, lahat ng posibleng mga batas ng pisika ay natuklasan, na inilarawan at pinag-aralan. Mag-aaral na nagkaroon ng mataas na binuo kakayahan sa agham, ang guro pinapayuhan hindi upang pumili ng pisika. Sila ay naniniwala na ito niluwalhati ay hindi na posible, nagkaroon lamang ng isang regular na trabaho para sa pag-aaral ng maliliit na menor de edad mga detalye. Ito ay higit pa ugma maingat na tao, hindi likas na matalino. Gayunman, ang mga larawan na ay mas nakakaaliw ay ang pagtuklas nagbigay pagkakataon upang sumalamin. Ito ay lahat na nagsimula sa isang simpleng hindi pagkakapare-pareho. Upang magsimula, ito naka-out na ang ilaw ay hindi masyadong solid: sa ilang mga kundisyon, ang pagkasunog ng hydrogen iniwan sa plate bilang ng mga linya sa halip na lamang ng isang lugar. Dagdag dito, ito ay natagpuan out na ang spectra ng helium ay nagkaroon ng higit pang mga linya kaysa sa hydrogen spectra. Pagkatapos ito ay natuklasan na ang trail ng isang bituin ay naiiba mula sa iba. At dalisay na pag-usisa napilitang mananaliksik mano-manong ilagay ang isang karanasan pagkatapos ng isa pang sa paghahanap ng mga sagot sa mga tanong. Sa komersyal na paggamit ng kanilang mga tuklas hindi nila naisip ng.

Planck at quantum

Sa kabutihang palad para sa amin, ito pambihirang tagumpay sa physics ay sinamahan ng pag-unlad ng matematika. Dahil ang mga paliwanag ng kung ano ang nangyayari ihulma ang hindi kapani-paniwalang complex formula. Noong 1900, Maks Plank, nagtatrabaho sa teorya ng radiation ng ganap na itim na katawan, natagpuan na ang enerhiya ay quantized. Mabilisang sabihin sa amin ang tungkol sa ang kahulugan ng pahayag na ito ay lubos na simple. Anumang elementaryong partikulo ay maaari lamang maging sa ilang mga tiyak na mga kondisyon. Kung maging sanhi ng magaspang na modelo, ang counter ay maaaring magpakita naturang estado ng 1, 3, 8, 13, 29, 138. Ang lahat ng iba pang mga halaga ay hindi magagamit sa pagitan ng mga ito. Ang mga dahilan para sa mga ito kami ay ibunyag sa ibang pagkakataon. Gayunpaman, kung sumisid sa iyo sa kuwento ng pagtuklas na ito, ito ay nagkakahalaga ng pagpuna na ang siyentipiko itinuturing na enerhiya quantization ng katapusan ng buhay ay lamang ng isang maginhawang matematika nanlilinlang, ay hindi endowed na may isang malubhang pisikal na kahulugan.

Wave at bigat

Ang simula ng ikadalawampu siglo ay karaniwang nangyayari sa mga pagtuklas na may kaugnayan sa mundo ng elementary particles. Ngunit ang pinakamalaking misteryo ay ang mga sumusunod na kabalintunaan: sa ilang mga kaso, ang mga particle kumilos na tulad ng bagay na may mass (at sa gayon momentum), at ang ilan - tulad ng isang wave. Pagkatapos ng mahaba at paulit-ulit na mga alitan ay dumating sa konklusyon malamang: electron, protons at neutrons ay may mga pag-aari nang sabay-sabay. pangkaraniwang bagay na ito ay tinatawag na alon-tinga duality (sa wikang Russian siyentipiko dalawang daang taon na ang nakakaraan korpuskulo tinatawag na butil). Kaya, ang isang elektron ay isang tiyak na mass, tulad ng ito ay smeared sa isang wave ng isang tiyak na dalas. Electronic na umiikot sa paligid ng isang atomic nucleus, walang katapusan nagpapataw alon sa isa't isa. Bilang resulta, lamang sa ilang mga distansya mula sa sentro (na kung saan ay depende sa haba ng daluyong), ang mga elektron wave umiikot, huwag kanselahin ang bawat isa. Ito ay nangyayari kapag ang sa kahanga-hanga ang "ulo" ng mga elektron wave sa kanyang "buntot" highs nag-tutugma sa ang maximums at minimum - minimums. Ito ay nagpapaliwanag ng quantization ng enerhiya ng mga atom, iyon ay, sa presensya ng isang maayos na natukoy na orbit kung saan ang mga elektron ay maaaring umiiral.

Spherical nanokon sa vacuo

Gayunman, ang tunay na sistema ay lubhang masalimuot. Sinusunod ang logic ng inilarawan sa itaas ay maaaring karagdagang nauunawaan elektron orbit system sa hydrogen at helium. Gayunman, mula noon pangangailangan sa halip kumplikadong kalkulasyon. Upang malaman kung paano upang maunawaan ang mga modernong mga mag-aaral matutunan ang quantization enerhiya ng partikulo sa ang mga potensyal na rin. Upang magsimula, piliin ang mga ideal na anyo ng isang hukay at isang elektron modelo. Upang malutas ang mga Schrödinger equation ay mga antas ng enerhiya at kung saan ang isang elektron ay maaaring maging. Pagkatapos ng pag-aaral upang tumingin para sa mga dependency, na nagpapakilala ng mas maraming mga variable: ang lapad at lalim ng balon, ang enerhiya at ang dalas ng mga elektron loses kanyang definiteness, ang pagdaragdag ng kasalimuotan equation. Ang karagdagang hukay hugis ay nagbago (halimbawa, ito ay nagiging square o may ngipin profile, ang mga gilid mawawala ang symmetry), ay kinuha hipotetikal na elementaryong mga particle na may ninanais na mga katangian. At lamang pagkatapos malaman upang malutas ang mga problema na kung saan lumitaw ang nagliliwanag na enerhiya quantization ng tunay na atom at kahit na mas kumplikadong sistema.

Impulse momentum

Gayunman, ang mga antas ng enerhiya, halimbawa, ang isang elektron - ay higit pa o mas mababa malinaw na halaga. Lahat, sa isang paraan o sa isa pa, ngunit ito tila na ang mas mataas ang enerhiya ng central heating baterya, ang mas mataas ang temperatura sa apartment. Alinsunod dito, ang quantization ng enerhiya ay posible pa rin upang isipin ang isip. May mga konsepto sa physics na magkaroon ng kahulugan intuitively mahirap din. momentum ay ang produkto macro bilis sa lupa (kalimutan na ang bilis at momentum ng parehong - vector magnitude, ibig sabihin malaya sa direksyon). Ito ay dahil sa udyok ito ay malinaw na ang average na halaga mabagal na lumilipad bato iwan lang pasa, kung mahulog ka sa isang tao, at pagkatapos ay bilang isang maliit na bala, fired sa mataas na bilis, Pinaghihiwa sa pamamagitan ng katawan. Sa micro parehong pulse - ito ay tulad ng isang dami na characterizes ang relasyon ng maliit na butil na may mga nakapaligid na space, pati na rin ang kanyang mga ari-arian navigate at makipag-ugnayan sa iba pang mga particle. Ang huli ay direktang nakasalalay sa ang enerhiya. Kaya, ito ay nagiging malinaw na ang quantization ng enerhiya at momentum ng maliit na butil ay kailangang interconnected. Bukod dito, ang pare-pareho ang h, na kumakatawan sa posibleng pinakamababang dosis ng pisikal na phenomena at nagpapakita discrete halaga na kasama sa formula at ang enerhiya at momentum ng particles sa nanoworld. Ngunit may isang konsepto kahit mas malayong mula sa intuitive kamalayan - momentum. Tumutukoy ito sa umiikot na katawan at nangangahulugan kung ano ang isang mass at isang umiikot na angular bilis. Pagpapabalik, angular tulin ay nagpapahiwatig ng magnitude ng pag-ikot ng bawat yunit ng panahon. Ang angular momentum ay din able sa ulat allocation paraan ng ang umiikot na katawan sangkap: mga bagay na may parehong mass ngunit nakasentro tungkol sa axis ng pag-ikot o sa paligid ay magkakaroon ng magkakaibang angular momentum. Bilang mambabasa marahil na nahulaan, sa atomic mundo ay enerhiya quantization ng angular momentum.

Quantum at Laser

Ang epekto ng pagbubukas ng discrete enerhiya at iba pang mga dami halata. Ang isang detalyadong pag-aaral ng ang mundo ay tanging posibleng salamat sa quantum. Modern paraan ng pag-aaral ng materyal, ang paggamit ng iba't ibang mga materyales at kahit agham upang lumikha ng mga ito - isang likas na extension ng pag-unawa kung ano ang enerhiya quantization. Ang prinsipyo ng operasyon at ang paggamit ng laser - ay walang exception. Sa pangkalahatan, ang laser ay binubuo ng tatlong pangunahing mga elemento: ang nagtatrabaho likido, at isang pump reflector mirror. Ang nagtatrabaho likido ay pinili upang ang may umiiral na dalawang relatibong malapit sa antas para sa mga electron. Ang pinaka-mahalagang criterion para sa mga antas na ito ay ang buhay ng mga electron sa kanila. Iyon ay kung gaano kalaki ang mga elektron ay magagawang upang mabuhay sa isang partikular na estado bago pumunta sa isang mas mababang at matatag na posisyon. Ng dalawang mga antas ay dapat na mas maraming pang-nanirahan itaas. Pagkatapos pumping (madalas - isang standard na bombilya, minsan - infrared) ay nagbibigay sa mga electron ay may sapat na enerhiya sa lahat ng mga ito natipon sa itaas na antas ng enerhiya at naipon doon. Ito ay tinatawag na populasyon pagbabaligtad antas. Dagdag dito, ang ilang mga isang elektron gumagalaw sa isang mas mababang at matatag na estado na may ang pagpapalabas ng isang photon, na nagiging sanhi ng pagkagambala ng pababa electron. Ang tampok ng prosesong ito ay na ang lahat ng mga photons ay kaya nakuha ay may parehong haba ng daluyong at magkaugnay. Gayunman, ang nagtatrabaho likido ay karaniwang malaki sapat, at ito ay nakabuo ng daloy nakadirekta sa iba't ibang direksyon. Ang papel na ginagampanan ng reflector mirror ay upang salain ang tanging mga batis ng mga photons, na kung saan ay may parehong direksyon. Bilang isang resulta, ang output ay isang makitid matinding sinag ng magkaugnay na mga alon ng parehong wavelength. Sa una, ito ay naisip na posible lamang sa isang matatag. Ang unang laser ay boule bilang ang nagtatrabaho likido. Ngayon, may mga lasers ng lahat ng mga uri at mga uri - likido, gas, at kahit na mga reaksyon kemikal. Tulad ng makita ang reader, ang pangunahing papel sa prosesong ito ay nilalaro sa pamamagitan ng pagsipsip at paglabas ng liwanag sa pamamagitan ng mga atom. quantization ng enerhiya sa kasong ito ay lamang ang batayan para sa naglalarawan ng teorya.

Liwanag at elektron

Alalahanin na ang paglipat ng isang elektron sa isang atom mula sa isang orbit sa isa pang ay sinamahan ng alinman sa isang emission o pagsipsip ng enerhiya. enerhiya na ito ay lilitaw bilang isang poton ng liwanag, o poton. Pormal, ang poton ay isang maliit na butil, ngunit sa kabilang naninirahan sa mga nanoworld ay naiiba. Photon Wala pang mass, ngunit may momentum. Pinatunayan niya pa ito Russian siyentipiko Lebedev sa 1899, malinaw na nagpapakita ng presyon ng liwanag. Photon ay naroroon lamang sa pagkilos at bilis nito ay ang bilis ng liwanag. Ito ang pinakamabilis na maaari sa aming uniberso object. Ang bilis ng liwanag (karaniwang ipinahiwatig sa pamamagitan ng isang maliit na Latin "c") ay tungkol sa tatlong daang libo kilometro bawat segundo. Halimbawa, ang laki ng ating kalawakan (hindi masyadong malaki sa mga pamantayan space) ay tungkol sa isang daang libong light years. Nahaharap sa ang bagay, ang poton ay nagbibigay sa kanya ang kanyang kapangyarihan nang ganap, na parang dissolved sa ito. Ang poton enerhiya, na kung saan ay inilabas o hinihigop sa ang paglipat ng isang elektron mula sa isang orbit sa isa pang ay depende sa ang distansya sa pagitan ng mga orbit. Kung ito ay maliit - ay nakatayo out infrared rays na may mababang enerhiya, kung malaki - makakuha ng ultraviolet.

X-ray at gamma ray

Electromagnetic hanay matapos ultraviolet comprises ng isang Roentgen at gamma radiation. Sa pangkalahatan ang mga ito ay ang wavelength, dalas at lakas ay overlapped sa isang medyo malawak na hanay. Iyon ay, mayroong isang X-ray poton na may isang haba ng daluyong ng 5 picometers at gamma poton ng parehong wavelength. Sila ay naiiba lamang sa paraan ng paghahanda. Roentgen ay nangyayari sa presensya ng napakabilis na mga electron, at gamma radiation ay nakuha lamang sa proseso ng paghiwalay at pagkakasama ng nuclei. X-ray ay nahahati sa banayad (sa tulong ng mga translucent ng tao baga at buto) at mahirap (karaniwan ay lamang na kinakailangan para sa pang-industriya o pananaliksik mga layunin). Kung napaka-Matindi ang pinabilis na mga electron, at pagkatapos ay biglang bumagal nito (eg, ang pagpapadala ng isang solid), ito radiate X-ray photons. Sa banggaan ng mga electron na may sustansiya ng mga atom target, electron ay hugot mula sa mas mababang shell. Ang mga electron itaas na shell kumuha ng kanilang lugar, ang paglipat ring nagpapalabas ng X-ray.

Gamma rays mangyari sa iba pang mga kaso. Ang nuclei ng atoms, kahit na binubuo sila ng maraming mga elementarya particle, ay din nailalarawan sa pamamagitan ng maliit na sukat, at samakatuwid, ay may posibilidad sila upang enerhiya quantization. Ang paglipat ng mga nuclei nasasabik estado sa isang mas mababang, kanan, at sinamahan ng ang pagpapalabas ng gamma ray. Anumang pagbagsak ng reaksyon o nuclear fusion ay tumatagal ng lugar, kasama na ang paglitaw ng gamma photons.

nuclear reaksyon

Bahagyang sa itaas, nabanggit namin na ang atomic nuclei ay napapailalim sa mga batas ng quantum mundo din. Ngunit may mga natural na nagaganap sangkap tulad malaking core, sila ay maging hindi matatag. Sila ay madalas na break down sa mas maliit at mas matatag na mga bahagi. Ang mga ito, pati na ang mga mambabasa ay malamang na nahulaan, ang mga ito, halimbawa, plutoniyum at uranium. Kapag ating planeta nabuo mula sa isang protoplanetary disk, nagkaroon ng isang tiyak na halaga ng radioactive substance. Dahil sila ay nabulok na sa paglipas ng panahon, transformed sa iba pang mga elemento kemikal. Ngunit sa na-survived isang bilang ng mga nondecayed uranium, at halaga nito ay maaaring judged, halimbawa, ang edad ng lupa. Para sa mga elemento ng kemikal na kung saan ay may natural na radyaktibidad, diyan ay tulad ng isang katangian bilang isang oras kalahati-buhay. Ito ay ang tagal ng panahon na kung saan ang natitirang bilang ng mga atoms ng ganitong uri ay halved. Half-buhay ng plutoniyum, halimbawa, mayroong isang dalawampu't apat na libo taon. Gayunpaman, bilang karagdagan sa natural na radyaktibidad, doon ay pinilit din. Kung manganyon mabigat na alpha-butil o neutron light atomic nuclei, pumutok sila. Sa kasong ito mayroong tatlong mga uri ng ionizing radiation: alpha particle, beta particle, gamma ray. Beta pagkabulok ng mga nuclei ay humantong sa isang pagbabago sa ang yunit bayad. Alpha particle gawin ang nucleus ng dalawang positrons. Gamma radiation ay walang bayad at ang electromagnetic field ay hindi pinalihis, ngunit ang may pinakamataas na matalim kapangyarihan. quantization ng enerhiya ay nangyayari sa lahat ng kaso, ang nucleus.

Digmaan at Kapayapaan

Laser, X-ray, isang pag-aaral ng mga solids at ang mga bituin - lahat ng mapayapang mga aplikasyon ng mga kaalaman tungkol sa quanta. Gayunman, ang ating mundo ay puno ng mga banta, at ang lahat ay nagnanais na protektahan ang kanilang mga sarili. Science naglilingkod sa militar na layunin masyadong. Sa kahit na isang guard ilagay ang mundo pulos panteorya phenomenon tulad ng enerhiya quantization. Ang ilang mga discrete anumang radiation, halimbawa, nabuo ang mga batayan ng nuclear weapons. Of course, ang kanyang mga aplikasyon naipon yunit ng pagpapamuok - malamang na ang mga mambabasa ay tandaan Hiroshima at Nagasaki. Lahat ng iba pang mga kadahilanan, pindutin ang pulang button itinatangi ito ay higit pa o mas mapayapa. Bilang ito ay laging ang tanong ng radioactive contamination ng kapaligiran. Halimbawa, ang half-life ng plutoniyum ipinahiwatig sa itaas ay gumagawa ng mga landscape kung saan ang elementong ito ay makakakuha ng akma para sa paggamit para sa isang mahabang panahon, halos geological epoch.

Tubig at wire

Ipaalam sa amin bumalik sa mapayapang paggamit ng nuclear reaksyon. Ito, siyempre, pakikipag-usap tungkol sa ang produksyon ng koryente sa pamamagitan ng nuclear fission. Ang prosesong ito ay ganito ang hitsura:

Ang core ng reaktor sa una bilang ang libreng neutrons at pagkatapos ay sila hit ng isang radioactive elemento (karaniwang uranium isotope), na sumasailalim sa isang alpha o beta pagkabulok.

Upang ito reaction hindi nakapasa sa hakbang hindi nakokontrol, ang reactor core Binubuo ng tinaguriang retarders. Bilang isang panuntunan, ito ay ginawa ng grapayt rods, na kung saan ay mahusay na absorb neutrons. Sa pamamagitan ng pagsasaayos ng kanilang haba, ito ay posible upang subaybayan ang mga rate ng reaksyon.

Bilang isang resulta, ang isang elemento ay transformed sa isa pa, ang hindi kapani-paniwala na halaga ng enerhiya pinakawalan. enerhiya na ito ay hinihigop ng ang kanistra napuno ng kaya-tinatawag na mabigat na tubig (sa halip ng hydrogen deuterium molecule). Bilang resulta ng pakikipag-ugnay sa reactor core na ang tubig mabigat kontaminadong produkto ng radioactive pagkabulok. Iyon recycling ng tubig na ito ay ang pinakamalaking problema ng nuclear power sa sandaling ito.

Sa unang water circuit ay nakalagay pangalawang sa ikalawang - ikatlong. Ang tubig ng ikatlong circuit ay naka-safe gamitin, at na ito ay lumiliko ang turbine, na gumagawa ng koryente.

Sa kabila ng naturang isang malaking bilang ng mga tagapamagitan sa pagitan ng enerhiya pinakawalan direkta cores at ang end user (sabihin kalimutan ang tungkol sa dose-dosenang mga kilometro ng mga wire, na rin ng kapangyarihan pagkawala), reaksyon na ito ay nagbibigay sa hindi kapani-paniwala kapangyarihan. Halimbawa, ang isang nuclear power plant ay maaaring supply ng kuryente sa buong area na may iba't-ibang mga industriya.