Квантування енергії електрона в атомі. Спосіб отримання енергії в реакторі на повільних нейтронах

Дана стаття розповідає про те, що таке квантування енергії і яке значення це явище має для сучасної науки. Наведено історія відкриття дискретності енергії, а також продемонстровані області застосування квантованности атомів.

кінець фізики

Відео: Keshe Foundation - INTRODUCTION - Collaborative Translations 11 languages

В кінці дев`ятнадцятого століття перед вченими постала дилема: при що був тоді рівні розвитку технології всі можливі закони фізики були відкриті, описані і вивчені. Учням, у яких були сильно розвинені здатності в галузі природничих наук, вчителі не радили вибирати фізику. Вони вважали, що прославитися в ній вже неможливо, залишалася тільки рутинна робота по вивченню дрібних незначних подробиць. Це більше підходило уважному людині, а не обдарованій. Однак фотографія, яка в більшій мірі була розважальним відкриттям, дала привід задуматися. Почалося все з простих невідповідностей. Для початку виявилося, що світло не зовсім суцільний: в певних умовах палаючий водень залишав на фотопластинці ряд ліній замість одного плями. Далі з`ясувалося, що спектри гелію мали більше ліній, ніж спектри водню. Потім виявилося, що слід одних зірок відрізняється від інших. І чисте цікавість змушувало дослідників вручну ставити один досвід за іншим в пошуках відповідей на питання. Про комерційне застосування своїх відкриттів вони не замислювалися.

Планк і квант

На щастя для нас, цей прорив у фізиці супроводжувався розвитком математики. Тому що пояснення того, що відбувається вкладалося в неймовірно складні формули. У 1900 році Макс Планк, працюючи над теорією випромінювання абсолютно чорного тіла, з`ясував, що відбувається квантування енергії. Коротко розповісти про сенс даного вислову досить просто. Будь-яка елементарна частинка може перебувати тільки в деяких конкретних станах. Якщо приводити грубу модель, то лічильник таких станів може показувати числа 1, 3, 8, 13, 29, 138. А всі інші значення між ними недоступні. Причини цього ми розкриємо трохи пізніше. Однак, якщо занурюватися в історію цього відкриття, варто відзначити, що сам учений до кінця життя вважав квантування енергії лише зручним математичним трюком, яка не наділена серйозним фізичним змістом.

Хвиля і маса

Початок двадцятого століття був сповнений відкриттями, пов`язаними зі світом елементарних частинок. Але більшу загадку становив наступний парадокс: в якихось випадках частки вели себе як об`єкти, що мають масу (і, відповідно, імпульсом), а в якихось - як хвиля. Після довгих і наполегливих суперечок довелося прийти до неймовірного висновку: електрони, протони і нейтрони мають ці властивості одночасно. Дане явище отримало назву корпускулярно-хвильового дуалізму (в мові російських вчених двісті років тому корпускулами називалася частка). Таким чином, електрон являє собою деяку масу, як би розмазати в хвилю певної частоти. Електрон, який обертається навколо ядра атома, нескінченно накладає свої хвилі один на одного. Отже, тільки на певних відстанях від центру (які залежать від довжини хвилі) хвилі електрона, обертаючись, не гасять один одного. Це відбувається, коли при накладенні «голови» хвильового електрона на його «хвіст» максимуми співпадають з максимумами, а мінімуми - з мінімумами. Таким чином пояснюється квантування енергії атома, тобто наявність в ньому строго визначених орбіт, на яких може існувати електрон.

Сферичний наноконь в вакуумі

Однак реальні системи неймовірно складні. Підкоряючись описаної вище логікою, можна ще зрозуміти систему орбіт електронів у водні і гелії. Однак далі вже потрібні досить складні розрахунки. Щоб навчитися їх розуміти, сучасні студенти вивчають квантування енергії частинки в потенційній ямі. Для початку вибирають ідеальної форми яму і один-єдиний модельний електрон. Для них вирішують рівняння Шредінгера, знаходять рівні енергії, на яких електрон може перебувати. Після вчаться шукати залежності, вводячи все більше змінних: ширина і глибина ями, енергія і частота електрона втрачають визначеність, додаючи складності рівнянь. Далі змінюється форма ями (наприклад, вона стає квадратної або зубчастої в профілі, її краю втрачають симетричність), беруться гіпотетичні елементарні частинки з заданими характеристиками. І тільки потім вчаться вирішувати завдання, в яких фігурує квантування енергії випромінювання реальних атомів і навіть більш складних систем.

Імпульс, момент імпульсу

Однак рівень енергії, припустимо, електрона - це ще більш-менш зрозуміла величина. Все, так чи інакше, але представляють, що більш висока енергія батарей центрального опалення відповідає більш високій температурі в квартирі. Відповідно, квантування енергії ще можна уявити собі умоглядно. Існують і такі поняття у фізиці, які осмислити інтуїтивно складно. У макросвіті імпульс є твір швидкості на масу (не забуваємо, що швидкість, як і імпульс - векторні величини, тобто залежать від напрямку). Саме завдяки імпульсу зрозуміло, що повільно летить середньої величини камінь всього лише залишить синяк, якщо потрапить в людини, тоді як маленька кулька, випущена з величезною швидкістю, проб`є тіло наскрізь. У мікросвіті ж імпульс - це така величина, яка характеризує зв`язок частинки з навколишнім простором, а також її властивість переміщатися і взаємодіяти з іншими частинками. Останнє безпосередньо залежить від енергії. Таким чином, стає зрозуміло, що квантування енергії і імпульсу частинки повинні бути взаємопов`язаними. Мало того, постійна h, яка позначає мінімально можливу порцію фізичного явища і показує дискретність величин, входить в формулу і енергії, і імпульсу часток в наносвіті. Але є поняття ще більш далеке від інтуїтивного усвідомлення - момент імпульсу. Відноситься воно до обертових тіл і позначає, яка маса і з якою кутовою швидкістю обертається. Нагадаємо, кутова швидкість показує величину повороту в одиницю часу. Момент імпульсу також здатний повідомити спосіб розподілу речовини тіла, що обертається: об`єкти з однаковою масою, але зосередженої близько осі обертання або на периферії матимуть різний момент імпульсу. Як читач напевно вже здогадується, в світі атома відбувається квантування енергії моменту імпульсу.

Квант і лазер

Вплив відкриття дискретності енергії та інших величин очевидно. Детальне вивчення світу можливо тільки завдяки кванту. Сучасні способи вивчення речовини, застосування різних матеріалів і навіть наука по їх створенню - природне продовження розуміння, що таке квантування енергії. Принцип дії і використання лазера - не виняток. Взагалі, лазер складається з трьох основних елементів: робочого тіла, накачування і дзеркала-відбивача. Робоче тіло вибирається таким чином, щоб в ньому існували два щодо близьких рівня для електронів. Найголовнішим критерієм для цих рівнів є час життя електронів на них. Тобто те, скільки електрон здатний протриматися в певному стані перш, ніж перейде в нижчу і стійку позицію. З двох рівнів більш довготривалим повинен бути верхній. Потім накачування (найчастіше - звичайна лампа, іноді - інфрачервона) надає електронам досить енергії, щоб вони всі зібралися на верхньому рівні енергії і скупчилися там. Це називається інверсна заселеність рівнів. Далі якийсь один електрон переходить в більш низьке і стійкий стан з випусканням фотона, що породжує зрив всіх електронів вниз. Особливість цього процесу полягає в тому, що всі отримувані у своїй фотони мають однакову довжину хвилі і когерентність. Однак робоче тіло, як правило, досить велика, і генеруються в ньому потоки, спрямовані в різні боки. Роль дзеркала-відбивача полягає в тому, щоб відфільтрувати тільки ті потоки фотонів, які спрямовані в одну сторону. У підсумку на виході виходить вузький інтенсивний пучок когерентних хвиль однієї довжини хвилі. Спочатку таке вважалося можливим тільки в твердому тілі. Перший лазер мав як робоче тіло штучний рубін. Тепер же є лазери всіх видів і типів - на рідинах, газі, і навіть на хімічних реакціях. Як читач бачить, головну роль в даному процесі відіграє поглинання і випускання світла атомом. Квантування енергії при цьому є тільки основою для опису теорії.

Світло і електрон

Нагадаємо, що перехід електрона в атомі з однієї орбіти на іншу супроводжується або випусканням, або поглинанням енергії. Ця енергія з`являється у вигляді кванта світла або фотона. Формально фотон є часткою, однак від інших мешканців наносвіту він відрізняється. Фотон не має маси, але володіє імпульсом. Довів це ще російський вчений Лебедєв в 1899 році, наочно продемонструвавши тиск світла. Фотон існує тільки в русі і його швидкість дорівнює швидкості світла. Це найшвидший з можливих в нашій всесвіту об`єкт. Швидкість світла (Стандартно позначається маленькою латинською «с») становить близько трьохсот тисяч кілометрів на секунду. Наприклад, розмір нашої галактики (не найбільшою за космічними мірками) становить близько ста тисяч світлових років. Стикаючись з речовиною, фотон віддає йому свою енергію повністю, як би розчиняючись при цьому. Енергія фотона, який виділяється або поглинається при переході електрона з однієї орбіти на іншу, залежить від відстані між орбітами. Якщо воно невелике - виділяється інфрачервоне випромінювання з низькою енергією, якщо велика - виходить ультрафіолет.

Рентген і гамма-випромінювання

Електромагнітна шкала після ультрафіолету містить рентген і гамма-випромінювання. Взагалі вони по довжині хвилі, частоті і енергії перекриваються в досить широкому діапазоні. Тобто існує рентгенівський фотон з довжиною хвилі 5 пікометр і гамма-фотон з такою ж довжиною хвилі. Відрізняються вони лише способом отримання. Рентген виникає при наявності дуже швидких електронів, а гамма-випромінювання виходить тільки в процесах розпаду і злиття атомних ядер. Рентген ділиться на м`який (з його допомогою просвічують легені і кістки людини) і жорсткий (потрібен зазвичай тільки в промислових або дослідницьких цілях). Якщо дуже сильно розігнати електрон, а потім різко загальмувати його (наприклад, направивши в тверде тіло), то він буде випромінювати рентгенівські фотони. При зіткненнях таких електронів з речовиною, з атомів мішені вириваються електрони з нижніх оболонок. При цьому електрони верхніх оболонок займають їх місце, при переході також випускаючи рентгенівські промені.

Гамма-кванти виникають в інших випадках. Ядра атомів, хоч вони і складаються з багатьох елементарних частинок, теж відрізняються малими розмірами, а значить, їм властиво квантування енергії. Перехід ядер із збудженого стану в більш низьке, як раз і супроводжується випусканням гамма-квантів. Будь-яка реакція розпаду або злиття ядер протікає, в тому числі з виникненням гамма-фотонів.

ядерна реакція

Трохи вище ми згадували, що атомні ядра також підпадають під дію законів квантового світу. Але існують в природі речовини з такими великими ядрами, що вони стають нестабільними. Вони прагнуть розпастися на більш маленькі і більш стійкі компоненти. До них, як читач уже, напевно, здогадується, відносяться, наприклад, плутоній і уран. Коли наша планета сформувалася з протопланетного диска, в ній була певна кількість радіоактивних речовин. З плином часу вони розпадалися, перетворюючись в інші хімічні елементи. Але все ж до наших днів дійшло кілька нераспавшегося урану, і по його кількості можна судити, наприклад, про вік Землі. Для хімічних елементів, які мають природною радіоактивністю, існує така характеристика, як час напіврозпаду. Це період часу, за який кількість залишилися атомів цього виду зменшиться вдвічі. Полураспад плутонію, наприклад, відбувається за двадцять чотири тисячі років. Однак крім природної радіоактивності існує ще і вимушена. Якщо бомбардувати важкими альфа-частками або легкими нейтронами ядра атомів, вони розколюються. При цьому виділяються три види іонізуючого випромінювання: альфа-частинки, бета-частинки, гамма-промені. Бета-розпад призводить до зміни заряду ядра на одиницю. Альфа-частинки забирають у ядра два позитрона. Гамма-випромінювання не має заряду і електромагнітним полем не відхиляється, однак має найбільшу проникаючу здатність. Квантування енергії відбувається у всіх випадках розпаду ядра.

Війна і мир

Лазери, рентген, вивчення твердих тіл і зірок - все це мирні застосування знань про кванти. Однак наш світ сповнений загроз, і кожен прагне убезпечити себе. Наука служить і військовим цілям теж. На варту світу поставлено навіть таке суто теоретичне явище, як квантування енергії. Визначення дискретності будь-якого випромінювання, наприклад, лягло в основу ядерної зброї. Звичайно, його бойового застосувань залишилися одиниці - напевно читач пам`ятає Хіросіму і Нагасакі. Всі інші приводи натиснути заповітну червону кнопку були більш-менш мирними. Також завжди залишається питання радіоактивного забруднення навколишнього середовища. Наприклад, означений вище піврозпад плутонію робить ландшафт, в який цей елемент потрапить, непридатним для використання на дуже довгий термін, практично на геологічну епоху.

Вода й проведення

Повернемося до мирного використання ядерних реакцій. Мова, звичайно, йде про вироблення електрики за допомогою ділення ядер. Цей процес виглядає так:

В активній зоні реактора спочатку виникають вільні нейтрони, а потім вони б`ють радіоактивний елемент (як правило, ізотоп урану), який зазнає альфа- або бета-розпад.

Щоб дана реакція не перейшла в неконтрольовану стадію, активна зона реактора містить так звані сповільнювачі. Як правило, це стрижні з графіту, які дуже добре поглинають нейтрони. Регулюючи їх довжину, можна стежити за швидкістю реакції.

Відео: KAMPBELL

В результаті один елемент перетворюється в інший, при цьому виділяється неймовірну кількість енергії. Ця енергія поглинається ємністю, заповненої так званої важкої водою (замість водню в молекулах дейтерій). В результаті зіткнення з активною зоною реактора ця вода сильно забруднюється продуктами радіоактивного розпаду. Саме утилізація цієї води є найбільшою проблемою ядерної енергетики на даний момент.

У перший водяний контур поміщений другий, у другій - третій. Вода третього контуру вже безпечна для використання, і саме вона крутить турбіну, яка і виробляє електрику.

Незважаючи на таку велику кількість посередників між безпосередньо виділяють енергію ядрами і кінцевим споживачем (не забуватимемо про десятки кілометрів проводів, на яких теж відбувається втрата потужності), ця реакція дає неймовірну міць. Наприклад, одна атомна електростанція може забезпечувати електрикою цілу область з безліччю промислових підприємств.