Bu makale, enerji kuantizasyonunun ne olduğundan ve bu olgunun modern bilim için ne kadar önemli olduğundan bahsediyor. Enerjinin ayrıklığının keşfinin tarihi ve atomların kuantizasyonunun uygulama alanları verilmiştir.
Fiziğin Sonu
On dokuzuncu yüzyılın sonunda, bilim adamları bir ikilemle karşı karşıya kaldılar: o zamanki teknoloji geliştirme düzeyinde, tüm olası fizik yasaları keşfedildi, tanımlandı ve incelendi. Doğa bilimleri alanında yetenekleri oldukça gelişmiş olan öğrencilere, öğretmenler tarafından fiziği seçmeleri tavsiye edilmedi. Artık ünlü olmanın mümkün olmadığına inanıyorlardı, sadece küçük küçük detayları incelemek için rutin işler vardı. Bu, yetenekli birinden ziyade özenli bir kişiye daha uygundu. Ancak daha eğlenceli bir keşif olan fotoğraf, düşünmek için sebep verdi. Her şey basit tutarsızlıklarla başladı. Başlangıç olarak, ışığın tamamen sürekli olmadığı ortaya çıktı: belirli koşullar altında, yanan hidrojen, fotoğraf plakasında tek bir nokta yerine bir dizi çizgi bıraktı. Dahası, helyum spektrumunun sahip olduğu ortaya çıktı.hidrojen spektrumundan daha fazla çizgi. Sonra bazı yıldızların izinin diğerlerinden farklı olduğu bulundu. Ve saf merak, araştırmacıları soruların cevaplarını aramak için birbiri ardına manuel olarak deneyimlemeye zorladı. Buluşlarının ticari uygulamasını düşünmediler.
Planck ve kuantum
Neyse ki bizim için fizikteki bu atılıma matematiğin gelişimi eşlik etti. Çünkü neler olup bittiğinin açıklaması inanılmaz derecede karmaşık formüllere uyuyor. 1900'de, siyah cisim ışıması teorisi üzerinde çalışan Max Planck, enerjinin kuantize olduğunu keşfetti. Bu ifadenin anlamını kısaca açıklamak oldukça basittir. Herhangi bir temel parçacık yalnızca belirli durumlarda olabilir. Kaba bir model verirsek, bu tür durumların sayacı 1, 3, 8, 13, 29, 138 sayılarını gösterebilir. Ve aralarındaki diğer tüm değerlere erişilemez. Bunun nedenlerini biraz sonra açıklayacağız. Bununla birlikte, bu keşfin tarihini araştırırsanız, bilim adamının kendisinin, yaşamının sonuna kadar, enerji kuantizasyonunu ciddi bir fiziksel anlamla donatılmamış, yalnızca uygun bir matematiksel numara olarak gördüğünü belirtmekte fayda var.
Dalga ve Kütle
Yirminci yüzyılın başlangıcı, temel parçacıklar dünyasıyla ilgili keşiflerle doluydu. Ancak büyük gizem şu paradokstu: bazı durumlarda parçacıklar kütlesi (ve buna bağlı olarak momentumu) olan nesneler ve bazı durumlarda bir dalga gibi davrandılar. Uzun ve inatçı bir tartışmadan sonra inanılmaz bir sonuca vardım: elektronlar, protonlar venötronlar aynı zamanda bu özelliklere sahiptir. Bu fenomene korpüsküler-dalga ikiliği adı verildi (iki yüz yıl önce Rus bilim adamlarının konuşmasında, bir parçacığa cisimcik adı verildi). Bu nedenle, bir elektron, belirli bir frekanstaki bir dalgaya bulaşmış gibi, belirli bir kütledir. Bir atomun çekirdeği etrafında dönen bir elektron, dalgalarını sürekli olarak birbirinin üzerine bindirir. Sonuç olarak, yalnızca merkezden (dalga boyuna bağlı olarak) belirli mesafelerde dönen elektron dalgaları birbirini iptal etmez. Bu, bir dalga elektronunun "başı", "kuyruğu" üzerine bindirildiğinde, maksimumlar maksimumlarla ve minimumlar minimumlarla çakıştığında olur. Bu, bir atomun enerjisinin kuantizasyonunu, yani içinde bir elektronun bulunabileceği kesin olarak tanımlanmış yörüngelerin varlığını açıklar.
Vakumda küresel nanoat
Ancak, gerçek sistemler inanılmaz derecede karmaşıktır. Yukarıda açıklanan mantığa uyarak, hidrojen ve helyumdaki elektronların yörüngeleri sistemi hala anlaşılabilir. Ancak, daha karmaşık hesaplamalar zaten gereklidir. Bunları nasıl anlayacaklarını öğrenmek için modern öğrenciler, potansiyel bir kuyuda parçacık enerjisinin nicelleştirilmesini inceler. Başlangıç olarak, ideal şekilli bir kuyu ve tek bir model elektron seçilir. Onlar için Schrödinger denklemini çözerler, elektronun olabileceği enerji seviyelerini bulurlar. Bundan sonra, giderek daha fazla değişken ekleyerek bağımlılıkları aramayı öğrenirler: kuyunun genişliği ve derinliği, elektronun enerjisi ve frekansı kesinliklerini kaybederek denklemlere karmaşıklık katarlar. Daha ileriçukurun şekli değişir (örneğin, profilde kare veya pürüzlü olur, kenarları simetrisini kaybeder), belirtilen özelliklere sahip varsayımsal temel parçacıklar alınır. Ve ancak o zaman gerçek atomların ve hatta daha karmaşık sistemlerin radyasyon enerjisinin nicelleştirilmesini içeren problemleri çözmeyi öğrenirler.
Momentum, açısal momentum
Ancak, diyelim ki bir elektronun enerji seviyesi az çok anlaşılabilir bir miktardır. Öyle ya da böyle, herkes merkezi ısıtma pillerinin daha yüksek enerjisinin apartmanda daha yüksek bir sıcaklığa karşılık geldiğini hayal ediyor. Buna göre, enerjinin kuantizasyonu hala spekülatif olarak hayal edilebilir. Fizikte sezgisel olarak anlaşılması zor kavramlar da vardır. Makro kozmosta momentum, hız ve kütlenin ürünüdür (hızın, momentum gibi bir vektör miktarı olduğunu, yani yöne bağlı olduğunu unutmayın). Yavaşça uçan orta büyüklükteki bir taşın bir kişiye çarptığında sadece bir çürük bırakacağı, büyük bir hızla ateşlenen küçük bir merminin vücudu delip geçeceği, momentum sayesinde açıktır. Mikro kozmosta, momentum, bir parçacığın çevreleyen alanla bağlantısını ve ayrıca hareket etme ve diğer parçacıklarla etkileşime girme yeteneğini karakterize eden böyle bir miktardır. İkincisi doğrudan enerjiye bağlıdır. Böylece, bir parçacığın enerjisinin ve momentumunun kuantizasyonunun birbirine bağlı olması gerektiği açıkça ortaya çıkıyor. Ayrıca, fiziksel bir olgunun mümkün olan en küçük bölümünü ifade eden ve niceliklerin ayrıklığını gösteren h sabiti formüle dahil edilmiştir veNanodünyadaki parçacıkların enerjisi ve momentumu. Ancak sezgisel farkındalıktan daha da uzak bir kavram var - dürtü anı. Dönen cisimleri ifade eder ve hangi kütlenin ve hangi açısal hız ile döndüğünü gösterir. Açısal hızın birim zamandaki dönüş miktarını gösterdiğini hatırlayın. Açısal momentum ayrıca dönen bir cismin maddesinin dağılma şeklini de söyleyebilir: aynı kütleye sahip, ancak dönme ekseni yakınında veya çevresinde yoğunlaşan nesneler farklı bir açısal momentuma sahip olacaktır. Okuyucunun muhtemelen tahmin ettiği gibi, atom dünyasında açısal momentumun enerjisi kuantize edilmiştir.
Kuantum ve lazer
Enerjinin ve diğer niceliklerin ayrıklığının keşfinin etkisi açıktır. Dünyanın ayrıntılı bir çalışması ancak kuantum sayesinde mümkündür. Maddeyi incelemenin modern yöntemleri, çeşitli malzemelerin kullanımı ve hatta bunların yaratılışının bilimi, enerji kuantizasyonunun ne olduğunu anlamanın doğal bir devamıdır. Çalışma prensibi ve lazer kullanımı bir istisna değildir. Genel olarak, lazer üç ana unsurdan oluşur: çalışma sıvısı, pompalama ve yansıtma aynası. Çalışma sıvısı, içinde elektronlar için nispeten yakın iki seviye bulunacak şekilde seçilir. Bu seviyeler için en önemli kriter üzerlerindeki elektronların ömrüdür. Bu, bir elektronun daha düşük ve daha kararlı bir konuma geçmeden önce belirli bir durumda ne kadar süre dayanabileceğidir. İki seviyeden üstteki daha uzun ömürlü olmalıdır. Daha sonra pompalama (genellikle geleneksel bir lambayla, bazen bir kızılötesi lambayla) elektronları verir.hepsinin en üst enerji seviyesinde toplanıp orada birikmesine yetecek kadar enerji. Buna ters düzey popülasyon denir. Ayrıca, bir elektron, tüm elektronların aşağı doğru bozulmasına neden olan bir foton emisyonu ile daha düşük ve daha kararlı bir duruma geçer. Bu sürecin özelliği, ortaya çıkan tüm fotonların aynı dalga boyuna sahip olmaları ve tutarlı olmalarıdır. Bununla birlikte, çalışma gövdesi kural olarak oldukça büyüktür ve içinde farklı yönlere yönlendirilen akışlar üretilir. Yansıtıcı aynanın rolü, yalnızca bir yöne yönlendirilen foton akışlarını filtrelemektir. Sonuç olarak, çıktı, aynı dalga boyuna sahip dar, yoğun bir uyumlu dalga demetidir. İlk başta, bunun yalnızca katı halde mümkün olduğu düşünülüyordu. İlk lazer, çalışma ortamı olarak yapay bir yakuta sahipti. Artık sıvılarda, gazlarda ve hatta kimyasal reaksiyonlarda her tür ve türde lazerler var. Okuyucunun gördüğü gibi, bu süreçteki ana rol, ışığın atom tarafından emilmesi ve yayılması ile oynanır. Bu durumda, enerji kuantizasyonu sadece teoriyi tanımlamanın temelidir.
Işık ve elektron
Bir atomdaki bir elektronun bir yörüngeden diğerine geçişine ya enerji emisyonu ya da emilimi eşlik eder. Bu enerji, bir ışık kuantumu veya bir foton şeklinde görünür. Resmi olarak, bir foton bir parçacıktır, ancak nanodünyanın diğer sakinlerinden farklıdır. Bir fotonun kütlesi yoktur, ancak momentumu vardır. Bu, 1899'da Rus bilim adamı Lebedev tarafından kanıtlandı ve ışığın basıncını açıkça gösterdi. Bir foton sadece hareket halinde ve hızında bulunur.ışık hızına eşittir. Evrenimizdeki mümkün olan en hızlı nesnedir. Işık hızı (standart olarak küçük Latince "c" ile gösterilir) saniyede yaklaşık üç yüz bin kilometredir. Örneğin, galaksimizin boyutu (uzay açısından en büyük değil) yaklaşık yüz bin ışıkyılıdır. Maddeyle çarpışan foton, bu durumda sanki çözünüyormuş gibi enerjisini tamamen verir. Bir elektron bir yörüngeden diğerine geçerken salınan veya soğurulan bir fotonun enerjisi, yörüngeler arasındaki mesafeye bağlıdır. Küçükse düşük enerjili kızılötesi radyasyon yayılır, büyükse ultraviyole elde edilir.
X-ışını ve gama radyasyonu
Ultraviyole sonrası elektromanyetik ölçek, X-ışını ve gama radyasyonu içerir. Genel olarak, oldukça geniş bir aralıkta dalga boyu, frekans ve enerjide örtüşürler. Yani 5 pikometre dalga boyuna sahip bir X-ışını fotonu ve aynı dalga boyuna sahip bir gama fotonu vardır. Sadece alındıkları şekilde farklılık gösterirler. X-ışınları çok hızlı elektronların varlığında meydana gelir ve gama radyasyonu sadece atom çekirdeğinin bozunma ve füzyon süreçlerinde elde edilir. Röntgen yumuşak (bir kişinin akciğerlerini ve kemiklerini göstermek için kullanılır) ve sert (genellikle yalnızca endüstriyel veya araştırma amaçlı olarak gereklidir) olarak ikiye ayrılır. Elektronu çok güçlü bir şekilde hızlandırırsanız ve ardından onu keskin bir şekilde yavaşlatırsanız (örneğin, onu katı bir gövdeye yönlendirerek), o zaman X-ışını fotonları yayacaktır. Bu elektronlar madde ile çarpıştığında hedef atomlar parçalanır. alt kabuklardan elektronlar. Bu durumda geçiş sırasında üst kabukların elektronları da yerlerini alarak X-ışınları yayar.
Gama kuantumu diğer durumlarda ortaya çıkar. Atomların çekirdekleri, birçok temel parçacıktan oluşmasına rağmen, boyut olarak da küçüktür, bu da onların enerji kuantizasyonu ile karakterize edildiği anlamına gelir. Çekirdeklerin uyarılmış bir durumdan daha düşük bir duruma geçişine tam olarak gama ışınlarının emisyonu eşlik eder. Gama fotonlarının görünümü de dahil olmak üzere, çekirdeklerin herhangi bir bozunma veya füzyon reaksiyonu devam eder.
Nükleer reaksiyon
Biraz yukarıda atom çekirdeklerinin de kuantum dünyasının yasalarına uyduğundan bahsetmiştik. Ancak doğada öyle büyük çekirdeğe sahip maddeler vardır ki, kararsız hale gelirler. Daha küçük ve daha kararlı bileşenlere ayrılma eğilimindedirler. Bunlar, okuyucunun muhtemelen tahmin ettiği gibi, örneğin plütonyum ve uranyumu içerir. Gezegenimiz bir ön-gezegen diskinden oluştuğunda, içinde belirli miktarda radyoaktif madde vardı. Zamanla, diğer kimyasal elementlere dönüşerek bozundular. Ama yine de, belirli bir miktar bozulmamış uranyum bugüne kadar hayatta kaldı ve miktarına göre, örneğin, Dünya'nın yaşı yargılanabilir. Doğal radyoaktiviteye sahip kimyasal elementler için yarı ömür gibi bir özellik vardır. Bu, bu türden kalan atomların sayısının yarıya ineceği süredir. Örneğin plütonyumun yarı ömrü yirmi dört bin yılda gerçekleşir. Ancak, doğal radyoaktiviteye ek olarak, zorlama da vardır. Ağır alfa parçacıkları veya hafif nötronlarla bombardıman edildiğinde atom çekirdekleri parçalanır. Bu durumda, üç tip iyonlaştırıcı radyasyon ayırt edilir: alfa parçacıkları, beta parçacıkları, gama ışınları. Beta bozunması nükleer yükün bir değişmesine neden olur. Alfa parçacıkları çekirdekten iki pozitron alır. Gama radyasyonunun yükü yoktur ve bir elektromanyetik alan tarafından saptırılmaz, ancak en yüksek nüfuz gücüne sahiptir. Enerji kuantizasyonu tüm nükleer bozunma durumlarında gerçekleşir.
Savaş ve Barış
Lazerler, x-ışınları, katıların ve yıldızların incelenmesi - bunların tümü, kuantum hakkında bilginin barışçıl uygulamalarıdır. Ancak dünyamız tehditlerle dolu ve herkes kendini korumaya çalışıyor. Bilim askeri amaçlara da hizmet eder. Enerjinin kuantizasyonu gibi tamamen teorik bir fenomen bile dünyanın koruması altına alındı. Herhangi bir radyasyonun ayrıklığının tanımı, örneğin, nükleer silahların temelini oluşturdu. Tabii ki, savaş uygulamalarından sadece birkaçı var - okuyucu muhtemelen Hiroşima ve Nagazaki'yi hatırlıyor. Gıptayla bakılan kırmızı düğmeye basmak için diğer tüm nedenler az çok barışçıldı. Ayrıca, her zaman çevrenin radyoaktif kirlenmesi sorunu vardır. Örneğin, plütonyumun yukarıda belirtilen yarı ömrü, bu elementin girdiği manzarayı çok uzun bir süre kullanılmaz hale, neredeyse bir jeolojik çağa dönüştürür.
Su ve teller
Nükleer reaksiyonların barışçıl kullanımına geri dönelim. Tabii ki, nükleer fisyon yoluyla elektrik üretiminden bahsediyoruz. İşlem şuna benziyor:
ÇekirdekteReaktörde önce serbest nötronlar ortaya çıkar ve sonra alfa veya beta bozunmasına uğrayan radyoaktif bir elemente (genellikle bir uranyum izotopu) çarparlar.
Bu reaksiyonun kontrolsüz bir aşamaya geçmesini önlemek için, reaktör çekirdeğinde moderatör adı verilenler bulunur. Kural olarak, bunlar nötronları çok iyi emen grafit çubuklardır. Uzunluklarını ayarlayarak reaksiyon hızını izleyebilirsiniz.
Sonuç olarak, bir element diğerine dönüşür ve inanılmaz miktarda enerji açığa çıkar. Bu enerji, (döteryum moleküllerindeki hidrojen yerine) ağır su ile dolu bir kap tarafından emilir. Reaktör çekirdeği ile temasın bir sonucu olarak, bu su, radyoaktif bozunma ürünleri ile yoğun şekilde kirlenir. Şu anda nükleer enerjinin en büyük sorunu bu suyun bertaraf edilmesidir.
İkincisi birinci su devresine, üçüncüsü ikinciye yerleştirilir. Üçüncü devrenin suyunu kullanmak zaten güvenlidir ve elektrik üreten türbini çeviren odur.
Doğrudan üreten çekirdekler ile son tüketici arasında bu kadar çok sayıda aracı olmasına rağmen (onlarca kilometrelik kabloların da güç kaybettiğini unutmayalım), bu reaksiyon inanılmaz bir güç sağlar. Örneğin, bir nükleer santral, birçok endüstrinin olduğu bir bölgenin tamamına elektrik sağlayabilir.
