Cuantificarea energia unui electron dintr-un atom. O metodă de producere a energiei din reactor cu neutroni lente

Acest articol vorbește despre ce cuantizarea energiei și semnificația acestui fenomen este știința modernă. Ea arată istoria descoperirii de energie discretă, și, de asemenea, a demonstrat domeniul de aplicare al atomilor cuantificați.

Sfârșitul fizicii

În secolul al XIX-lea, dilema cu care se confruntă oamenii de știință: nivelul apoi existent al tehnologiei, toate posibile legile fizicii au fost descoperite, descrise și studiate. Studenții care au avut abilități foarte dezvoltate în domeniul științelor, profesorul sfătuit să nu aleagă fizica. Ei au crezut că glorificat nu mai este posibil, a existat doar o muncă de rutină pentru studiul de mici detalii minore. Este mult mai potrivit om atent, nu înzestrat. Cu toate acestea, imaginea care este mai distractiv a fost descoperirea a dat ocazia de a reflecta. Totul a început cu o simplă incoerențe. Pentru a începe, sa dovedit că lumina nu este destul de solid: în anumite condiții, arderea hidrogenului lăsat pe placa de numărul de linii în loc de doar un singur loc. Mai mult, sa constatat că spectrele heliu au avut mai multe linii decât spectre de hidrogen. Apoi sa descoperit că urmele de o stea este diferit de celelalte. Și pură curiozitate cercetători constrânse pus manual o experiență după alta în căutare de răspunsuri la întrebări. Cu privire la utilizarea comercială a descoperirilor lor, ei nu au gândit.

Planck și cuantică

Din fericire pentru noi, această descoperire în fizică a fost însoțită de dezvoltarea matematicii. Deoarece explicația a ceea ce se întâmplă în formă în formula incredibil de complex. În 1900, Maks Plank, lucru pe teoria radiației corpului absolut negru, a constatat că energia este cuantificată. Pe scurt ne spune despre semnificația acestei afirmații este destul de simplu. Orice particulă elementară nu poate fi decât în unele condiții specifice. În cazul în care cauza modelul dur, contorul poate afișa astfel de stări de 1, 3, 8, 13, 29, 138. Toate celelalte valori nu sunt disponibile între ele. Motivele pentru aceasta vom dezvălui mai târziu. Cu toate acestea, în cazul în care te arunca cu capul în povestea acestei descoperiri, este de remarcat faptul că omul de știință considerat cuantizarea energetică de la sfârșitul vieții este doar un truc matematic convenabil, nu este dotat cu un sentiment fizic serios.

Wave și greutate

Începutul secolului XX a fost plină de descoperiri legate de lumea particulelor elementare. Dar cel mai mare mister este următorul paradox: în unele cazuri, particulele se comportă ca niște obiecte cu masă (și, prin urmare, impuls), iar unii - ca un val. După dispute lungi și persistente au ajuns la concluzia improbabil: electroni, protoni si neutroni au aceste proprietăți simultan. Acest fenomen se numește dualitatea undă-particulă (în discursul de oameni de știință ruși în urmă cu două sute de ani corpuscul numit de particule). Astfel, un electron este o anumită masă, cum ar fi mânjit cu un val de o anumită frecvență. Electron care se învârte în jurul nucleului unui atom, impune infinit val unul la celălalt. În consecință, numai la anumite distanțe de centru (care depind de lungimea de undă), se rotește val de electroni, nu se anulează reciproc. Acest lucru se întâmplă atunci când la impunerea „capul“ val de electroni pe sale maxime „coada“ coincid cu maximele și minimele - minime. Acest lucru explică cuantizarea energia atomului, adică, în care poate exista prezenta unei orbite bine definite electron.

nanokon sferic în vid

Cu toate acestea, sistemele reale sunt incredibil de complexe. Supunându logica descrisă sistem de orbite de electroni de mai sus pot fi înțelese mai departe în hidrogen și heliu. Cu toate acestea, de atunci, mai degrabă nevoie de calcule complexe. Pentru a afla cum să înțeleagă elevii să învețe moderne energia cuantizare a particulei în potențialului bine. Pentru a începe, alege forma ideală de o groapă și un singur model de electroni. Pentru a rezolva aceste ecuații Schrodinger sunt nivelurile de energie la care un electron poate fi. După învățare pentru a căuta dependențe, introducând mai multe variabile: lățimea și adâncimea de bine, energia și frecvența de electroni pierde sale definiteness, complicând și ecuații. Mai mult, schimbarea formei găurii (de exemplu, devine un pătrat sau un profil dințat, marginile sale pierdute simetrie), provin dintr-un particule elementare ipotetice cu caracteristici dorite. Și numai atunci să învețe să rezolve problemele în care apare cuantizarea energia radiantă a atomilor reale și chiar sisteme mai complexe.

impuls impuls

Cu toate acestea, nivelul de energie, de exemplu, un electron - este o valoare mai mult sau mai puțin clare. Toate, într-un fel sau altul, dar se pare că, cu cât energia bateriei de încălzire centrală, cea mai mare temperatura în apartament. Prin urmare, cuantificarea energiei este încă posibil să ne imaginăm mintea. Există, de asemenea, concepte in fizica care fac sens intuitiv dificil. Impulsul este produs viteza macro la sol (nu uitați că viteza și impulsul de ambele - magnitudine vector, adică independent de direcția). Aceasta se datorează impuls este clar că valoarea medie care zboară încet piatră lasă doar o vânătaie, dacă se încadrează într-un om, apoi ca un glonț mic, tras la viteză mare, sparge prin corp. În același puls micro - aceasta este o astfel de cantitate care caracterizează relația particulei cu spațiul din jur, precum și să accesați de proprietate și de a interacționa cu alte particule. Acesta din urmă este direct dependentă de energie. Astfel, devine clar că cuantificarea energiei și impulsul particulei trebuie să fie interconectate. Mai mult decât atât, h constant, ceea ce reprezintă cea mai mică doză posibilă a fenomenelor fizice și prezintă valori discrete incluse în formulă și energia și impulsul particulelor în nanoworld. Dar există un concept și mai îndepărtat de intuitiv de conștientizare - impuls. Aceasta se referă la corpurile de rotație și înseamnă ce o masă și o viteză unghiulară de rotație. Reamintim, viteza unghiulară indică magnitudinea de rotație pe unitatea de timp. Momentul cinetic este, de asemenea, posibilitatea de a raporta metoda de alocare a substanței corp rotativ: obiecte cu aceeași masă, dar centrată în jurul axei de rotație sau la periferie vor avea diferite moment unghiular. După cum probabil cititorul deja ghicit, în lumea atomică este cuantizare energetică a momentului cinetic.

Quantum și laser

Impactul deschiderii de energie discrete și alte cantități evidente. Un studiu detaliat al lumii este posibilă numai datorită cuantice. Metode moderne de studiere a materialului, utilizarea diferitelor materiale și chiar știința pentru a le crea - o extensie naturală a înțelegerii ce cuantizare energiei. Principiul de funcționare și utilizarea laserului - nu este o excepție. În general, laserul este format din trei elemente de bază: fluidul de lucru și o oglindă pompă de reflector. Fluidul de lucru este ales, astfel încât există două relativ aproape de nivelul de electroni. Cel mai important criteriu pentru aceste niveluri este durata de viață a electronilor pe ele. Care este cât de mult de electroni este în măsură să supraviețuiască într-o anumită stare înainte de a merge într-o mai mică și stabilă poziție. Din cele două niveluri trebuie să fie mai lungă durată superioară. Apoi, de pompare (de multe ori - un bec standard, uneori - infraroșu) dă electronii au suficientă energie pentru toate dintre ele au adunat la nivelul superior al energiei și a acumulat acolo. Aceasta se numește un nivel de inversare a populației. Mai mult, unele un electron se deplasează într-o stare de echilibru mai mică și cu emisia unui foton, provocând o perturbare a electronilor în jos. Caracteristica acestui proces este că toți fotonii sunt astfel obținute au aceeași lungime de undă și coerentă. Cu toate acestea, fluidul de lucru este de obicei suficient de mare, și a generat fluxuri îndreptate în direcții diferite. Rolul oglinzii reflector este de a filtra doar acele fluxuri de fotoni, care au aceeași direcție. Ca urmare, producția este un fascicul intens îngust de valuri coerente de aceeași lungime de undă. La început, acest lucru a fost crezut că este posibil doar într-un solid. Primul laser a fost boule ca fluid de lucru. Acum, există lasere de toate tipurile și tipurile - lichide, gaze, și chiar reacții chimice. Pe măsură ce cititorul se poate vedea, principalul rol în acest proces este jucat de absorbție și de emisie a luminii de către un atom. cuantizare de energie în acest caz este doar baza pentru a descrie teoria.

Lumină și electroni

Să ne amintim că tranziția unui electron dintr-un atom de la o orbită la alta este însoțită de nici o emisie sau absorbție a energiei. Aceasta energie apare ca un foton de lumină sau de fotoni. Formal, foton este o particulă, dar pe ceilalți locuitori ai nanoworld este diferit. Photon nu are masă, dar are impuls. El a dovedit încă rus Lebedev om de știință în 1899, demonstrând în mod clar presiunea luminii. Photon există numai în mișcarea și viteza sa este viteza luminii. Acest lucru este cel mai rapid posibil, în obiectul nostru univers. Viteza luminii ( de obicei , indicat printr - un mic „c“ latină) este de aproximativ trei sute de secundă de km pe. De exemplu, dimensiunea galaxiei noastre (nu foarte mare pe standarde de spațiu) este de aproximativ o sută de mii de ani lumină. Confruntându-se cu materia, fotonul îi dă puterea lui complet, ca și în cazul în care se dizolvă în acest sens. Energia fotonica, care este eliberată sau absorbită în trecerea unui electron de la o orbită la alta depinde de distanța dintre orbite. Dacă aceasta este mică - iese în evidență razele infraroșii cu consum redus de energie, în cazul în mare - a lua ultraviolete.

Razele X si raze gamma

Gama electromagnetică după ultraviolete cuprinde o radiație Roentgen și gamma. În general, ele sunt de lungime de undă, frecvența și energia sunt suprapuse într-o gamă destul de largă. Adică, există un foton de raze X, cu o lungime de undă de 5 picometers și de fotoni gamma de aceeași lungime de undă. Ele diferă doar în modul de preparare. Roentgen are loc în prezența electronilor foarte rapid, iar radiația gamma este obținută numai în procesele de dezintegrare și coalescența nuclee. Razele X este împărțit în ușoară (cu ajutorul plămânilor umani translucide și oase) și greu (de obicei, necesare numai pentru scopuri industriale sau de cercetare). În cazul în care foarte puternic electroni accelerați, iar apoi brusc încetini acestuia (de exemplu, trimiterea unui solid), acesta va radia fotoni X-ray. In ciocnirile acestor electroni cu substanța atomilor țintă, electronii sunt trase afară din mantaua inferioară. Electronii cochilii superioare au loc lor, tranziția care emit raze X, de asemenea.

Razele gamma apar în alte cazuri. Nucleele atomilor, chiar dacă ele constau din mai multe particule elementare, se caracterizează prin dimensiuni mici, și, prin urmare, ele tind să cuantizare energie. Tranziția de nuclee de stat excitate la un inferior, drept, și însoțite de o emisie de raze gamma. Orice colaps al reacției sau fuziunea nucleară are loc, inclusiv apariția de fotoni gamma.

reacția nucleară

Puțin mai sus, am menționat că nucleele atomice sunt, de asemenea, supuse legilor lumii cuantice. Dar există substanțe care apar în mod natural, aceste nuclee mari, ele devin instabile. Ei tind să se descompun în componente mai mici și mai robuste. Acestea, după cum probabil cititorul a ghicit, sunt, de exemplu, plutoniu și uraniu. Când planeta noastră formată dintr-un protoplanetară disc, a existat o anumită cantitate de substanțe radioactive. Din moment ce ei cariate a lungul timpului, transformate în alte elemente chimice. Cu toate acestea, pentru a fi supraviețuit unui număr de uraniu nondecayed, iar valoarea sa poate fi judecat, de exemplu, vârsta pământului. Pentru elementele chimice care au radioactivitate naturală, există o astfel de caracteristică ca un timp de înjumătățire. Aceasta este perioada de timp pentru care va fi redus la jumătate numărul rămas de atomi de acest fel. Timp de înjumătățire de plutoniu, de exemplu, există o douăzeci și patru de mii de ani. Cu toate acestea, în plus față de radioactivitatea naturală, există, de asemenea, forțată. În cazul în care bombarda alfa-particule sau lumină cu neutroni nucleele atomice grele, ei fisura. În acest caz, există trei tipuri de radiații ionizante: particule alfa, particule beta, raze gamma. degradare beta a nucleelor duce la o schimbare în unitatea de încărcare. Particulele alfa ia nucleul doi pozitroni. radiații gamma nu are nici o sarcină și câmpul electromagnetic nu este deviat, dar are cea mai mare putere de penetrare. cuantizare de energie are loc în toate cazurile, nucleul.

Război și Pace

Lasere, raze X, un studiu al solidelor și stelele - toate aplicațiile pașnice ale cunoștințelor despre cuante. Cu toate acestea, lumea noastră este plină de amenințări, și toată lumea vrea să se protejeze. Știința servește unor scopuri militare prea. La Garda pentru Pace a pus chiar și un astfel fenomen pur teoretic, deoarece cuantificarea energiei. Anumite discrete radiații, de exemplu, au format baza de arme nucleare. unități de luptă Desigur, aplicațiile sale acumulate - probabil cititorul își va aminti Hiroshima și Nagasaki. Toate celelalte motive, apăsați butonul roșu prețuită a fost mai mult sau mai puțin pașnică. Așa cum este întotdeauna problema de contaminare radioactivă a mediului. De exemplu, perioada de înjumătățire a plutoniului indicat mai sus face ca peisajul în care acest element Gets improprii pentru utilizare pe o perioadă îndelungată de timp, aproape geologic epocă.

Apă și fire

Să ne întoarcem la utilizarea pașnică a reacțiilor nucleare. Aceasta, desigur, vorbind despre producerea de energie electrică prin intermediul fisiunii nucleare. Acest proces arată astfel:

Miezul reactorului inițial ca neutronii liberi și apoi au lovit un element radioactiv (de obicei izotopilor de uraniu), care suferă o degradare alfa sau beta.

Pentru această reacție nu a trecut în etapa necontrolată, miezul reactorului cuprinde o așa-numită întârzietori. De regulă, este realizat din tije de grafit, care sunt foarte bine absorbi neutroni. Prin ajustarea lungimii lor, este posibil să se monitorizeze viteza de reacție.

Ca rezultat, un element este transformat intr-o alta, incredibila suma de energie eliberată. Această energie este absorbită de recipientul umplut cu așa-numita apa grea (in loc de molecule de deuteriu hidrogen). Ca rezultat al contactului cu miezul reactorului care apa puternic contaminate produse de descompunere radioactive. Această reciclare această apă este cea mai mare problemă a energiei nucleare în acest moment.

În primul circuit de apă este plasat al doilea în al doilea - al treilea. Apa de-al treilea circuit este deja sigur de utilizat, și că se transformă turbina, care produce energie electrică.

În ciuda unui astfel de număr mare de intermediari între energia eliberată în mod direct miezuri și utilizatorul final (să nu uităm de zeci de kilometri de cabluri, care, de asemenea pierderea de putere), această reacție dă putere incredibilă. De exemplu, o putere nucleară a plantelor poate furniza energie electrică pentru întreaga zonă cu o varietate de industrii.