Ez a cikk arról szól, hogy mi az energiakvantálás, és milyen jelentősége van ennek a jelenségnek a modern tudomány számára. Megadjuk az energia diszkrétségének felfedezésének történetét, valamint az atomok kvantálásának alkalmazási területeit.
A fizika vége
A tizenkilencedik század végén a tudósok dilemmával szembesültek: a technológiai fejlődés akkori szintjén a fizika minden lehetséges törvényét felfedezték, leírták és tanulmányozták. A természettudományok terén fejlett képességekkel rendelkező tanulóknak a tanárok nem tanácsolták a fizika választását. Azt hitték, hogy már nem lehet híressé válni benne, csak rutinmunka van az apró apró részletek tanulmányozására. Ez jobban megfelelt egy figyelmes embernek, mint egy tehetségesnek. Az inkább szórakoztató felfedezésnek számító fotó azonban gondolkodásra adott okot. Az egész egyszerű következetlenségekkel kezdődött. Kezdetben kiderült, hogy a fény nem teljesen folyamatos: bizonyos körülmények között a hidrogén égése egyetlen folt helyett vonalak sorozatát hagyta a fényképezőlapon. Továbbá kiderült, hogy a hélium spektrumai vannaktöbb vonal, mint a hidrogén spektruma. Aztán kiderült, hogy egyes csillagok nyoma különbözik másokétól. A puszta kíváncsiság pedig arra kényszerítette a kutatókat, hogy kézzel írják egymás után a tapasztalatokat a kérdésekre keresve a választ. Nem gondoltak felfedezéseik kereskedelmi alkalmazására.
Terv és kvantum
Szerencsére a fizikában ezt az áttörést a matematika fejlődése kísérte. Mert a történések magyarázata hihetetlenül bonyolult képletekbe illeszkedett. 1900-ban Max Planck, aki a fekete test sugárzásának elméletén dolgozott, rájött, hogy az energia kvantált. Ennek az állításnak a jelentésének rövid leírása meglehetősen egyszerű. Bármely elemi részecske csak bizonyos meghatározott állapotban lehet. Ha durva modellt adunk, akkor az ilyen állapotok számlálója 1, 3, 8, 13, 29, 138 számokat mutathat. A köztük lévő összes többi érték pedig elérhetetlen. Ennek okait kicsit később áruljuk el. Ha azonban belemélyedünk ennek a felfedezésnek a történetébe, érdemes megjegyezni, hogy maga a tudós élete végéig az energiakvantálást csak kényelmes matematikai trükknek tartotta, amely nem volt felruházva komoly fizikai jelentéssel.
Hullám és mise
A huszadik század eleje tele volt az elemi részecskék világával kapcsolatos felfedezésekkel. A nagy rejtély azonban a következő paradoxon volt: egyes esetekben a részecskék tömeggel (és ennek megfelelően lendülettel) rendelkező objektumokként, egyes esetekben hullámként viselkedtek. Hosszú és makacs vita után hihetetlen következtetésre kellett jutnom: elektronok, protonok ésa neutronok egyszerre rendelkeznek ezekkel a tulajdonságokkal. Ezt a jelenséget korpuszkuláris-hullám dualizmusnak nevezték (az orosz tudósok kétszáz évvel ezelőtti beszédében egy részecskét korpuszkulának neveztek). Így az elektron egy bizonyos tömeg, mintha egy bizonyos frekvenciájú hullámba kenődne. Az atommag körül keringő elektron vég nélkül egymásra helyezi hullámait. Következésképpen a forgó elektronhullámok csak a középponttól bizonyos távolságokban (amelyek a hullámhossztól függenek) nem kioltják egymást. Ez akkor történik, amikor egy hullámelektron "feje" a "farkára" van helyezve, a maximumok egybeesnek a maximumokkal, a minimumok pedig egybeesnek a minimumokkal. Ez magyarázza az atom energiájának kvantálását, vagyis szigorúan meghatározott pályák jelenlétét benne, amelyeken egy elektron létezhet.
Gömb alakú nanoló vákuumban
A valódi rendszerek azonban hihetetlenül összetettek. A fent leírt logikának engedelmeskedve még mindig meg lehet érteni az elektronok pályarendszerét a hidrogénben és a héliumban. Azonban már további összetett számításokra van szükség. Ahhoz, hogy megtanulják megérteni őket, a modern hallgatók a részecskeenergia kvantálását tanulmányozzák egy potenciálkútban. Először egy ideális alakú lyukat és egyetlen modellelektront választunk. Számukra megoldják a Schrödinger-egyenletet, megtalálják azokat az energiaszinteket, amelyeken az elektron lehet. Ezt követően egyre több változó beiktatásával tanulnak meg függőséget keresni: a kút szélessége és mélysége, az elektron energiája és frekvenciája elveszti bizonyosságát, bonyolultabbá téve az egyenleteket. Továbbia gödör alakja megváltozik (pl. négyzet alakú vagy szaggatott profilú lesz, élei elvesztik szimmetriájukat), meghatározott jellemzőkkel rendelkező hipotetikus elemi részecskéket veszünk. És csak ezután tanulják meg megoldani azokat a problémákat, amelyek valódi atomok és még bonyolultabb rendszerek sugárzási energiájának kvantálásával járnak.
Lendék, szögimpulzus
Azonban mondjuk egy elektron energiaszintje többé-kevésbé érthető mennyiség. Így vagy úgy, mindenki azt képzeli, hogy a központi fűtés akkumulátorainak nagyobb energiája magasabb hőmérsékletnek felel meg a lakásban. Ennek megfelelően az energia kvantálása még mindig spekulatív módon képzelhető el. A fizikában is vannak olyan fogalmak, amelyeket nehéz intuitív módon megérteni. A makrokozmoszban az impulzus a sebesség és a tömeg szorzata (ne felejtsük el, hogy a sebesség az impulzushoz hasonlóan vektormennyiség, vagyis iránytól függ). A lendületnek köszönhető, hogy jól látható, hogy egy lassan repülő, közepes méretű kő csak akkor hagy zúzódást, ha eltalálja az embert, míg egy nagy sebességgel kilőtt kis golyó keresztül-kasul áthatol a testen. A mikrokozmoszban az impulzus olyan mennyiség, amely jellemzi egy részecske kapcsolatát a környező térrel, valamint mozgás- és kölcsönhatási képességét más részecskékkel. Ez utóbbi közvetlenül az energiától függ. Így világossá válik, hogy egy részecske energiájának és impulzusának kvantálását össze kell kapcsolni. Sőt, a h konstans, amely a fizikai jelenség lehető legkisebb részét jelöli és a mennyiségek diszkrétségét mutatja, benne van a képletben, ill.a részecskék energiája és lendülete a nanovilágban. De van egy fogalom, amely még távolabb áll az intuitív tudatosságtól – az impulzus pillanata. A forgó testekre utal, és jelzi, hogy mekkora tömeggel és milyen szögsebességgel forog. Emlékezzünk vissza, hogy a szögsebesség az egységnyi idő alatti forgás mértékét jelzi. A szögimpulzus azt is meg tudja mondani, hogy a forgó test anyaga hogyan oszlik el: az azonos tömegű, de a forgástengely közelében vagy a perifériákon koncentrálódó tárgyak szögimpulzusa eltérő lesz. Ahogy az olvasó valószínűleg már sejti, az atom világában a szögimpulzus energiája kvantált.
Kvantum és lézer
Az energia és más mennyiségek diszkrétségének felfedezésének hatása nyilvánvaló. A világ részletes tanulmányozása csak a kvantumnak köszönhetően lehetséges. Az anyag tanulmányozásának modern módszerei, a különféle anyagok használata, sőt a létrehozásuk tudománya természetes folytatása annak megértésének, hogy mi is az energiakvantálás. A működés elve és a lézer használata sem kivétel. Általában a lézer három fő elemből áll: a munkafolyadékból, a pumpáló és a visszaverő tükörből. A munkafolyadékot úgy választják meg, hogy az elektronok számára két viszonylag közeli szint legyen benne. E szintek legfontosabb kritériuma a rajtuk lévő elektronok élettartama. Ez azt jelenti, hogy egy elektron mennyi ideig képes kitartani egy bizonyos állapotban, mielőtt alacsonyabb és stabilabb helyzetbe kerül. A két szint közül a felső legyen a hosszabb életű. Ezután pumpálás (gyakran hagyományos lámpával, néha infralámpával) adja az elektronokatelegendő energia ahhoz, hogy a legfelső energiaszinten összegyűljenek és ott felhalmozódjanak. Ezt inverz szintű populációnak nevezzük. Továbbá egy elektron egy alacsonyabb és stabilabb állapotba kerül egy foton kibocsátásával, ami az összes elektron lebomlását okozza. Ennek a folyamatnak az a sajátossága, hogy a keletkező fotonok azonos hullámhosszúak és koherensek. A munkatest azonban általában meglehetősen nagy, és áramlások keletkeznek benne, különböző irányokba irányítva. A visszaverő tükör feladata, hogy csak azokat a fotonfolyamokat szűrje ki, amelyek egy irányba irányulnak. Ennek eredményeként a kimenet azonos hullámhosszú koherens hullámok keskeny, intenzív nyalábja. Eleinte ezt csak szilárd állapotban tartották lehetségesnek. Az első lézer mesterséges rubint tartalmazott munkaközegként. Ma már mindenféle és típusú lézer létezik - folyadékokra, gázokra, sőt kémiai reakciókra is. Amint az olvasó látja, ebben a folyamatban a fő szerepet az atom általi fényelnyelés és -kibocsátás játssza. Ebben az esetben az energiakvantálás csak az elmélet leírásának alapja.
Fény és elektron
Emlékezzünk vissza, hogy az atomban lévő elektronok egyik pályáról a másikra való átmenete energiakibocsátással vagy abszorpcióval jár. Ez az energia fénykvantum vagy foton formájában jelenik meg. Formálisan a foton részecske, de különbözik a nanovilág többi lakójától. A fotonnak nincs tömege, de van lendülete. Ezt Lebegyev orosz tudós bizonyította 1899-ben, egyértelműen bemutatva a fény nyomását. A foton csak mozgásban és annak sebességében létezikegyenlő a fénysebességgel. Ez a lehető leggyorsabb objektum az univerzumban. A fénysebesség (a szabványban a kis latin "c"-vel jelölve) körülbelül háromszázezer kilométer másodpercenként. Például galaxisunk mérete (űrben nem a legnagyobb) körülbelül százezer fényév. Az anyaggal ütközve a foton teljesen átadja neki energiáját, ebben az esetben mintha feloldódna. Az elektron egyik pályáról a másikra való mozgása során felszabaduló vagy elnyelt foton energiája a pályák közötti távolságtól függ. Ha kicsi, akkor alacsony energiájú infravörös sugárzást bocsátanak ki, ha nagy, akkor ultraibolya sugárzást kapunk.
Röntgen- és gammasugárzás
Az ultraibolya sugárzás utáni elektromágneses skála röntgen- és gammasugárzást tartalmaz. Általánosságban elmondható, hogy hullámhosszban, frekvenciában és energiában meglehetősen széles tartományban fedik át egymást. Vagyis van egy 5 pikométer hullámhosszú röntgenfoton és egy azonos hullámhosszú gammafoton. Csak abban különböznek, ahogyan fogadják őket. A röntgensugárzás nagyon gyors elektronok jelenlétében történik, és gamma-sugárzás csak az atommagok bomlási és fúziós folyamataiban keletkezik. A röntgensugarak lágy (az ember tüdején és csontjain keresztül történő megjelenítésre használják) és keményre (általában csak ipari vagy kutatási célokra szükségesek). Ha az elektront nagyon erősen felgyorsítja, majd élesen lelassítja (például szilárd testbe irányítva), akkor röntgenfotonokat bocsát ki. Amikor az ilyen elektronok ütköznek az anyaggal, a célatomok kitörnekelektronok az alsó héjakból. Ebben az esetben a felső héjak elektronjai veszik át a helyüket, és az átmenet során röntgensugarakat is bocsátanak ki.
A gamma kvantumok más esetekben is előfordulnak. Az atommagok, bár sok elemi részecskéből állnak, szintén kis méretűek, ami azt jelenti, hogy energiakvantálás jellemzi őket. Az atommagok gerjesztett állapotból alacsonyabb állapotba való átmenete pontosan gamma-sugárzással jár együtt. Bármilyen bomlási vagy atommagfúziós reakció lezajlik, beleértve a gamma-fotonok megjelenését is.
Atomreakció
Kicsit feljebb említettük, hogy az atommagok is engedelmeskednek a kvantumvilág törvényeinek. De vannak a természetben olyan nagy magú anyagok, amelyek instabillá válnak. Hajlamosak kisebb és stabilabb alkatrészekre bomlani. Ezek közé tartozik, amint az olvasó valószínűleg már sejti, például a plutóniumot és az uránt. Amikor bolygónk egy protoplanetáris korongból alakult ki, bizonyos mennyiségű radioaktív anyag volt benne. Idővel lebomlanak, és más kémiai elemekké alakultak. De mégis, bizonyos mennyiségű bomlás nélküli urán a mai napig fennmaradt, és mennyisége alapján meg lehet ítélni például a Föld korát. A természetes radioaktivitással rendelkező kémiai elemek esetében van egy olyan jellemző, mint a felezési idő. Ez az az időtartam, amely alatt az ilyen típusú megmaradt atomok száma felére csökken. A plutónium felezési ideje például huszonnégyezer év alatt következik be. A természetes radioaktivitás mellett azonban van még kényszer. Amikor nehéz alfa-részecskékkel vagy könnyű neutronokkal bombázzák, az atommagok szétesnek. Ebben az esetben az ionizáló sugárzás három típusát különböztetjük meg: alfa-részecskék, béta-részecskék, gamma-sugarak. A béta-bomlás hatására a nukleáris töltés eggyel megváltozik. Az alfa-részecskék két pozitront vesznek el az atommagból. A gammasugárzásnak nincs töltése, és nem téríti el elektromágneses tér, de a legnagyobb áthatoló ereje van. Az energiakvantálás a nukleáris bomlás minden esetben megtörténik.
Háború és béke
Lézerek, röntgensugarak, szilárd testek és csillagok tanulmányozása – mindezek a kvantumokkal kapcsolatos ismeretek békés alkalmazásai. Világunk azonban tele van fenyegetésekkel, és mindenki igyekszik megvédeni magát. A tudomány katonai célokat is szolgál. Még egy olyan tisztán elméleti jelenséget is, mint az energia kvantálása, őrségbe helyezték a világ előtt. Bármely sugárzás diszkrétségének meghatározása például az atomfegyverek alapját képezte. Harci alkalmazásai közül persze csak néhány van – az olvasó valószínűleg Hirosimára és Nagaszakira emlékszik. A hőn áhított piros gomb megnyomásának minden egyéb oka többé-kevésbé békés volt. Emellett mindig felmerül a környezet radioaktív szennyezettségének kérdése. Például a plutónium fent jelzett felezési ideje nagyon hosszú időre, szinte geológiai korszakra teszi használhatatlanná azt a tájat, amelybe ez az elem belép.
Víz és vezetékek
Térjünk vissza a nukleáris reakciók békés célú felhasználásához. Természetesen az atommaghasadás útján történő villamosenergia-termelésről beszélünk. A folyamat így néz ki:
A magbanA reaktorban először szabad neutronok jelennek meg, majd eltalálnak egy radioaktív elemet (általában az urán izotópját), amely alfa- vagy béta-bomláson megy keresztül.
Annak érdekében, hogy ez a reakció ne menjen kontrollálatlan állapotba, a reaktormag úgynevezett moderátorokat tartalmaz. Általában ezek grafitrudak, amelyek nagyon jól elnyelik a neutronokat. A hosszuk beállításával nyomon követheti a reakciósebességet.
Ennek eredményeként az egyik elem a másikká alakul, és hihetetlen mennyiségű energia szabadul fel. Ezt az energiát egy úgynevezett nehézvízzel (a deutériummolekulákban lévő hidrogén helyett) töltött tartály nyeli el. A reaktormaggal való érintkezés következtében ez a víz erősen szennyezett radioaktív bomlástermékekkel. Jelenleg ennek a víznek az elhelyezése jelenti az atomenergia legnagyobb problémáját.
A második az első vízkörbe, a harmadik a másodikba kerül. A harmadik kör vize már biztonságosan használható, és ő forgatja a turbinát, amely áramot termel.
Annak ellenére, hogy a közvetlenül generáló magok és a végfelhasználó között ilyen nagyszámú közvetítő van (ne feledkezzünk meg a több tíz kilométeres vezetékről sem, amely szintén elveszíti az áramot), ez a reakció hihetetlen teljesítményt biztosít. Például egy atomerőmű egy egész területet tud villamos energiával ellátni, számos iparággal.
