АдукацыяНавука

Квантавання энергіі электрона ў атаме. Спосаб атрымання энергіі ў рэактары на павольных нейтронах

Дадзеная артыкул распавядае пра тое, што такое квантавання энергіі і якое значэнне гэта з'ява мае для сучаснай навукі. Прыведзена гісторыя адкрыцця дыскрэтнасці энергіі, а таксама прадэманстраваны вобласці ўжывання квантавання атамаў.

канец фізікі

У канцы дзевятнаццатага стагоддзя перад навукоўцамі паўстала дылема: пры існавала тады узроўні развіцця тэхналогіі ўсе магчымыя законы фізікі былі адкрыты, апісаны і вывучаныя. Вучням, у якіх былі моцна развітыя здольнасці ў галіне натуральных навук, настаўнікі не раілі выбіраць фізіку. Яны лічылі, што праславіцца ў ёй ужо немагчыма, заставалася толькі руцінная праца па вывучэнні дробных нязначных падрабязнасьцяў. Гэта больш падыходзіла ўважліваму чалавеку, а не адоранаму. Аднак фатаграфія, якая ў большай ступені была забаўляльным адкрыццём, дала падставу задумацца. Пачалося ўсё з простых неадпаведнасцяў. Для пачатку аказалася, што святло не зусім суцэльны: у пэўных умовах падпалены вадарод пакідаў на фотапласцінцы шэраг ліній замест аднаго плямы. Далей высветлілася, што спектры гелія мелі больш ліній, чым спектры вадароду. Потым выявілася, што след адных зорак адрозніваецца ад іншых. І чыстае цікаўнасць прымушала даследчыкаў ўручную ставіць адзін вопыт за іншым у пошуках адказаў на пытанні. Аб камерцыйным прымяненні сваіх адкрыццяў яны не задумваліся.

Планк і квант

На шчасце для нас, гэты прарыў у фізіцы суправаджаўся развіццём матэматыкі. Таму што тлумачэння таго, што адбываецца ўкладвалася ў неверагодна складаныя формулы. У 1900 году Макс Планк, працуючы над тэорыяй выпраменьвання абсалютна чорнага цела, высвятліў, што адбываецца квантавання энергіі. Коратка расказаць пра сэнс дадзенага выказванні дастаткова проста. Любая элементарная часціца можа знаходзіцца толькі ў некаторых канкрэтных станах. Калі прыводзіць грубую мадэль, то лічыльнік такіх станаў можа паказваць колькасці 1, 3, 8, 13, 29, 138. А ўсе астатнія значэння паміж імі недаступныя. Прычыны гэтага мы раскрыем трохі пазней. Аднак, калі апускацца ў гісторыю гэтага адкрыцця, варта адзначыць, што сам вучоны да канца жыцця лічыў квантавання энергіі толькі зручным матэматычным трукам, ня надзеленым сур'ёзным фізічным сэнсам.

Хваля і маса

Пачатак дваццатага стагоддзя мела шмат адкрыццямі, звязанымі з светам элементарных часціц. Але вялікую загадку складаў наступны парадокс: у нейкіх выпадках часціцы паводзілі сябе як аб'екты, якія валодаюць масай (і, адпаведна, імпульсам), а ў нейкіх - як хваля. Пасля доўгіх і ўпартых спрэчак прыйшлося прыйсці да неверагоднага высновы: электроны, пратоны і нейтроны валодаюць гэтымі ўласцівасцямі адначасова. Дадзенае з'ява атрымала назву карпускулярна-хвалевага дуалізму (у прамовы рускіх навукоўцаў дзвесце гадоў таму корпускул называлася часціца). Такім чынам, электрон уяўляе сабой некаторую масу, як бы размазаную ў хвалю пэўнай частоты. Электрон, які круціцца вакол ядра атама, бясконца накладвае свае хвалі адзін на аднаго. Такім чынам, толькі на пэўных адлегласцях ад цэнтра (якія залежаць ад даўжыні хвалі) хвалі электрона, круцячыся, ня гасяць адзін аднаго. Гэта адбываецца, калі пры накладанні «галавы» хвалевага электрона на яго «хвост» максімумы супадаюць з максімумамі, а мінімумы - з мінімум. Такім чынам тлумачыцца квантавання энергіі атама, гэта значыць наяўнасць у ім строга вызначаных арбіт, на якіх можа існаваць электрон.

Сферычны наноконь ў вакууме

Аднак рэальныя сістэмы неверагодна складаныя. Падпарадкоўваючыся апісанай вышэй логіцы, можна яшчэ зразумець сістэму арбіт электронаў у вадародзе і гелии. Аднак далей ужо патрабуюцца досыць складаныя разлікі. Каб навучыцца іх разумець, сучасныя студэнты вывучаюць квантавання энергіі часціцы ў патэнцыйнай яме. Для пачатку выбіраюць ідэальнай формы яму і адзін-адзіны мадэльны электрон. Для іх вырашаюць раўнанне Шредингера, знаходзяць ўзроўні энергіі, на якіх электрон можа знаходзіцца. Пасля вучацца шукаць залежнасці, уводзячы ўсё больш зменных: шырыня і глыбіня ямы, энергія і частата электрона губляюць пэўнасць, дадаючы складанасці раўнаннях. Далей змяняецца форма ямы (напрыклад, яна становіцца квадратнай або зубчастай у профілі, яе краю губляюць сіметрычнасць), бяруцца гіпатэтычныя элементарныя часціцы з зададзенымі характарыстыкамі. І толькі потым вучацца вырашаць задачы, у якіх фігуруе квантавання энергіі выпраменьвання рэальных атамаў і нават больш складаных сістэм.

Імпульс, момант імпульсу

Аднак узровень энергіі, дапусцім, электрона - гэта яшчэ больш-менш зразумелая велічыня. Усе, так ці інакш, але ўяўляюць, што больш высокая энергія батарэй цэнтральнага ацяплення адпавядае больш высокай тэмпературы ў кватэры. Адпаведна, квантавання энергіі яшчэ можна ўявіць сабе абстрактна. Існуюць і такія паняцці у фізіцы, якія асэнсаваць інтуітыўна складана. У макрасвет імпульс ёсць твор хуткасці на масу (не забываем, што хуткасць, як і імпульс - вектарныя велічыні, гэта значыць залежаць ад напрамку). Менавіта дзякуючы імпульсу зразумела, што павольна які ляціць сярэдняй велічыні камень ўсяго толькі пакіне сіняк, калі патрапіць у чалавека, тады як маленькая пульке, выпушчаная з велізарнай хуткасцю, праб'е цела наскрозь. У мікрасвеце ж імпульс - гэта такая велічыня, якая характарызуе сувязь часціцы з наваколлем, а таксама яе ўласцівасць перамяшчацца і ўзаемадзейнічаць з іншымі часціцамі. Апошняе непасрэдна залежыць ад энергіі. Такім чынам, становіцца зразумела, што квантавання энергіі і імпульсу часціцы абавязаны быць ўзаемазлучанымі. Мала таго, пастаянная h, якая пазначае мінімальна магчымую порцыю фізічнага з'явы і паказвае дыскрэтнасць велічынь, уваходзіць у формулу і энергіі, і імпульсу часціц у наномире. Але ёсць паняцце яшчэ больш далёкае ад інтуітыўнага ўсведамлення - момант імпульсу. Ставіцца яно да якія верцяцца целаў і пазначае, якая маса і з якой кутняй хуткасцю круціцца. Нагадаем, кутняя хуткасць паказвае велічыню павароту ў адзінку часу. Момант імпульсу таксама здольны паведаміць спосаб размеркавання рэчывы верціцца цела: аб'екты з аднолькавай масай, але засяроджанай каля восі кручэння або на перыферыі будуць мець розны момант імпульсу. Як чытач напэўна ўжо здагадваецца, у свеце атама адбываецца квантавання энергіі моманту імпульсу.

Квант і лазер

Ўплыў адкрыцця дыскрэтнасці энергіі і іншых велічынь відавочна. Дэталёвае вывучэнне свету магчыма толькі дзякуючы Квант. Сучасныя спосабы вывучэння рэчывы, ужыванне розных матэрыялаў і нават навука па іх стварэнні - натуральнае працяг разумення, што такое квантавання энергіі. Прынцып дзеяння і выкарыстанне лазера - не выключэнне. Наогул, лазер складаецца з трох асноўных элементаў: працоўнага цела, накачкі і люстэркі-адбівальніка. Рабочае цела выбіраецца такім чынам, каб у ім існавалі два адносна блізкіх ўзроўню для электронаў. Самым галоўным крытэрыем для гэтых узроўняў з'яўляецца час жыцця электронаў на іх. Гэта значыць тое, колькі электрон здольны пратрымацца ў пэўным стане перш, чым пяройдзе ў больш нізкую і ўстойлівую пазіцыю. З двух узроўняў больш даўгавечным павінен быць верхні. Затым напампоўка (часцяком - звычайная лямпа, часам - інфрачырвоная) надае электронам дастаткова энергіі, каб яны ўсе сабраліся на верхнім узроўні энергіі і назапасіліся там. Гэта называецца інверснай заселенасць узроўняў. Далей нейкі адзін электрон пераходзіць у больш нізкае і ўстойлівы стан з выпусканнем фатона, што спараджае зрыў ўсіх электронаў ўніз. Асаблівасць гэтага працэсу складаецца ў тым, што ўсе атрымліваюцца пры гэтым фатоны маюць аднолькавую даўжыню хвалі і кагерэнтнасці. Аднак рабочае цела, як правіла, досыць вялікая, і генеруюцца ў ім патокі, накіраваныя ў розныя бакі. Ролю люстэрка-адбівальніка складаецца ў тым, каб адфільтраваць толькі тыя патокі фатонаў, якія накіраваны ў адзін бок. У выніку на выхадзе атрымліваецца вузкі інтэнсіўны пучок кагерэнтныя хваляў адной даўжыні хвалі. Спачатку такое лічылася магчымым толькі ў цвёрдым целе. Першы лазер меў у якасці рабочага цела штучны рубін. Цяпер жа ёсць лазеры ўсіх відаў і тыпаў - на вадкасцях, газе, і нават на хімічных рэакцыях. Як чытач бачыць, галоўную ролю ў гэтым працэсе гуляе паглынанне і выпусканне святла атамам. Квантавання энергіі пры гэтым з'яўляецца толькі асновай для апісання тэорыі.

Святло і электрон

Нагадаем, што пераход электрона ў атаме з адной арбіты на іншую суправаджаецца альбо выпусканнем, альбо паглынаннем энергіі. Гэтая энергія паўстае ў выглядзе кванта святла або фатона. Фармальна фатон з'яўляецца часцінкай, аднак ад іншых насельнікаў наномира ён адрозніваецца. Фатон не мае масы, але валодае імпульсам. Даказаў гэта яшчэ рускі навуковец Лебедзеў ў 1899 годзе, наглядна прадэманстраваўшы ціск святла. Фатон існуе толькі ў руху і яго хуткасць роўная хуткасці святла. Гэта самы хуткі з магчымых у нашай сусвету аб'ект. Хуткасць святла (стандартна пазначаецца маленькай лацінскай «з») складае каля трохсот тысяч кіламетраў у секунду. Да прыкладу, памер нашай галактыкі (не самай вялікай па касмічных мерках) складае каля ста тысяч светлавых гадоў. Сутыкаючыся з рэчывам, фатон аддае яму сваю энергію цалкам, як бы раствараючыся пры гэтым. Энергія фатона, які вылучаецца або паглынаецца пры пераходзе электрона з адной арбіты на іншую, залежыць ад адлегласці паміж арбіты. Калі яно невялікае - вылучаецца інфрачырвонае выпраменьванне з нізкай энергіяй, калі вялікае - атрымліваецца ўльтрафіялет.

Рэнтген і гама-выпраменьванне

Электрамагнітная шкала пасля ультрафіялету ўтрымлівае рэнтген і гама-выпраменьванне. Наогул яны па даўжыні хвалі, частаце і энергіі перакрываюцца ў досыць шырокім дыяпазоне. Гэта значыць існуе рэнтгенаўскі фатон з даўжынёй хвалі 5 пикометров і гама-фатон з такой жа даўжынёй хвалі. Адрозніваюцца яны толькі спосабам атрымання. Рэнтген ўзнікае пры наяўнасці вельмі хуткіх электронаў, а гама-выпраменьванне атрымліваецца толькі ў працэсах распаду і зліцця атамных ядраў. Рэнтген дзеліцца на мяккі (з яго дапамогай прасвечваюць лёгкія і косткі чалавека) і жорсткі (патрэбен звычайна толькі ў прамысловых або даследчых мэтах). Калі вельмі моцна разагнаць электрон, а потым рэзка затармазіць яго (напрыклад, накіраваўшы ў цвёрдае цела), то ён будзе выпраменьваць рэнтгенаўскія фатоны. Пры сутыкненнях такіх электронаў з рэчывам, з атамаў мішэні вырываюцца электроны з ніжніх абалонак. Пры гэтым электроны верхніх абалонак займаюць іх месца, пры пераходзе таксама выпускаючы рэнтгенаўскія прамяні.

Гама-кванты ўзнікаюць у іншых выпадках. Ядра атамаў, хоць яны і складаюцца з многіх элементарных часціц, таксама адрозніваюцца малымі памерамі, а значыць, ім уласціва квантавання энергіі. Пераход ядраў з узбуджанай стану ў больш нізкае, як раз і суправаджаецца выпусканнем гама-квантаў. Любая рэакцыя распаду або зліцця ядраў працякае, у тым ліку з узнікненнем гама-фатонаў.

ядзерная рэакцыя

Ледзь вышэй мы згадвалі, што атамныя ядра таксама падпарадкоўваюцца законам квантавага свету. Але існуюць у прыродзе рэчывы з такімі вялікімі ядрамі, што яны становяцца нестабільнымі. Яны імкнуцца распасціся на больш маленькія і больш ўстойлівыя кампаненты. Да іх, як чытач ужо, напэўна, здагадваецца, ставяцца, напрыклад, плутоній і ўран. Калі наша планета сфармавалася з протопланетного дыска, у ёй было пэўную колькасць радыеактыўных рэчываў. З цягам часу яны распадаліся, ператвараючыся ў іншыя хімічныя элементы. Але ўсё ж да нашых дзён дайшло некаторы колькасць нераспавшегося ўрану, і па ягонай колькасці можна меркаваць, напрыклад, пра ўзрост Зямлі. Для хімічных элементаў, якія валодаюць натуральнай радыеактыўнасць, існуе такая характарыстыка, як час паўраспаду. Гэта перыяд часу, за які колькасць пакінутых атамаў гэтага віду паменшыцца ўдвая. Паўраспад плутонію, да прыкладу, адбываецца за дваццаць чатыры тысячы гадоў. Аднак акрамя натуральнай радыеактыўнасці існуе яшчэ і вымушаная. Калі бамбаваць цяжкімі альфа-часціцамі або лёгкімі нейтронамі ядра атамаў, яны расколваюцца. Пры гэтым вылучаюцца тры віды іанізуючага выпраменьвання: альфа-часціцы, бэта-часціцы, гама-прамяні. Бэта-распад прыводзіць да змены зарада ядра на адзінку. Альфа-часціцы забіраюць у ядра два пазітронна. Гама-выпраменьванне не мае зарада і электрамагнітным полем не адхіляецца, аднак мае найбольшую пранікальную здольнасць. Квантавання энергіі адбываецца ва ўсіх выпадках распаду ядра.

Вайна і мір

Лазеры, рэнтген, вывучэнне цвёрдых целаў і зорак - усё гэта мірныя прымянення ведаў аб Квант. Аднак наш свет поўны пагроз, і кожны імкнецца засцерагчы сябе. Навука служыць і ваенным мэтам таксама. На варту свету пастаўлена нават такое чыста тэарэтычнае з'ява, як квантавання энергіі. Вызначэнне дыскрэтнасці любога выпраменьвання, напрыклад, легла ў аснову ядзернай зброі. Вядома, яго баявога ужыванняў налічваюцца адзінкі - напэўна чытач памятае Хірасіму і Нагасакі. Усе астатнія падставы націснуць запаветную чырвоную кнопку былі больш-менш мірнымі. Таксама заўсёды застаецца пытанне радыеактыўнага забруджвання навакольнага асяроддзя. Напрыклад, пазначаны вышэй паўраспад плутонію робіць ландшафт, у які гэты элемент патрапіць, непрыдатным для выкарыстання на вельмі доўгі тэрмін, практычна на геалагічную эпоху.

Вада і драты

Вернемся да мірнага выкарыстання ядзерных рэакцый. Гаворка, вядома, ідзе аб выпрацоўцы электрычнасці пры дапамозе дзялення ядраў. Гэты працэс выглядае так:

У актыўнай зоне рэактара спачатку ўзнікаюць свабодныя нейтроны, а затым яны б'юць радыеактыўны элемент (як правіла, ізатоп ўрану), які перажывае альфа- ці бэта-распад.

Каб дадзеная рэакцыя не перайшла ў некантраляваную стадыю, актыўная зона рэактара ўтрымлівае так званыя запавольнікі. Як правіла, гэта стрыжні з графіту, якія вельмі добра паглынаюць нейтроны. Рэгулюючы іх даўжыню, можна сачыць за хуткасцю рэакцыі.

У выніку адзін элемент ператвараецца ў іншы, пры гэтым вылучаецца неверагодная колькасць энергіі. Гэтая энергія паглынаецца ёмістасцю, запоўненай так званай цяжкай вадой (замест вадароду ў малекулах дэйтэрый). У выніку сутыкнення з актыўнай зонай рэактара гэтая вада моцна забруджваецца прадуктамі радыеактыўнага распаду. Менавіта утылізацыя гэтай вады з'яўляецца найбольшай праблемай ядзернай энергетыкі на дадзены момант.

У першы вадзяной контур змешчаны другі, у другі - трэці. Вада трэцяга контуру ўжо бяспечная для выкарыстання, і менавіта яна круціць турбіну, якая і выпрацоўвае электрычнасць.

Нягледзячы на такую вялікую колькасць пасрэднікаў паміж непасрэдна якія вылучаюць энергію ядрамі і канчатковым спажыўцом (не будзем забываць пра дзясяткі кіламетрах правадоў, на якіх таксама адбываецца страта магутнасці), гэтая рэакцыя дае неверагодную моц. Напрыклад, адна атамная электрастанцыя можа забяспечваць электрычнасцю цэлую вобласць са мноствам прамысловых прадпрыемстваў.

Similar articles

 

 

 

 

Trending Now

 

 

 

 

Newest

Copyright © 2018 be.birmiss.com. Theme powered by WordPress.