Sự lượng tử hóa năng lượng của một electron trong một nguyên tử. Một phương pháp sản xuất năng lượng trong một lò phản ứng bởi neutron chậm

Bài viết này nói về những gì các lượng tử hóa năng lượng và tầm quan trọng của hiện tượng này là đối với khoa học hiện đại. Nó cho thấy lịch sử của sự phát hiện của discreteness năng lượng, và cũng chứng minh phạm vi của các nguyên tử lượng tử.

End của vật lý

Vào cuối thế kỷ XIX, tiến thoái lưỡng nan phải đối mặt với các nhà khoa học: trình độ sau đó hiện có của công nghệ, tất cả các luật có thể có của vật lý đã được phát hiện, mô tả và nghiên cứu. Những sinh viên đã có khả năng phát triển cao trong các ngành khoa học, giáo viên khuyên không nên chọn vật lý. Họ tin rằng tôn vinh nó không còn có thể, chỉ có một công việc thường xuyên cho việc nghiên cứu chi tiết nhỏ nhỏ. Đó là phù hợp hơn người đàn ông cẩn thận, không có năng khiếu. Tuy nhiên, hình ảnh mà là giải trí nhiều hơn là khám phá cho dịp để phản ánh. Mọi chuyện bắt đầu với một mâu thuẫn đơn giản. Để bắt đầu, nó bật ra rằng ánh sáng không phải là khá rắn: trong điều kiện nhất định, việc đốt hydro còn lại trên biển số của dòng thay vì chỉ một chỗ. Hơn nữa, nó được phát hiện ra rằng quang phổ của heli có dòng hơn phổ hydro. Sau đó, nó được phát hiện ra rằng các dấu vết của một ngôi sao là khác nhau từ những người khác. Và sự tò mò thuần túy bắt buộc các nhà nghiên cứu tự đặt một kinh nghiệm nữa để tìm kiếm câu trả lời cho câu hỏi này. Về việc sử dụng thương mại của những khám phá của họ, họ đã không nghĩ đến.

Planck và lượng tử

May mắn thay cho chúng ta, mang tính đột phá này trong vật lý được kèm theo sự phát triển của toán học. Bởi vì lời giải thích về những gì đang xảy ra phù hợp vào công thức vô cùng phức tạp. Trong năm 1900, Maks Plank, làm việc trên lý thuyết về bức xạ của cơ thể hoàn toàn đen, thấy năng lượng đó là lượng tử hóa. Tóm lại cho chúng tôi biết về ý nghĩa của câu này là khá đơn giản. Bất kỳ hạt cơ bản chỉ có thể ở một số điều kiện cụ thể. Nếu khiến mô hình thô, bộ đếm có thể hiển thị trạng thái như vậy trong tổng số 1, 3, 8, 13, 29, 138. Tất cả các giá trị khác không có sẵn giữa chúng. Những lý do này, chúng tôi sẽ tiết lộ sau. Tuy nhiên, nếu bạn nhảy vào những câu chuyện của phát hiện này, nó là đáng chú ý là các nhà khoa học coi là lượng tử hóa năng lượng của cuối đời chỉ là một thủ thuật toán học thuận tiện, không được ưu đãi với một cảm giác thể chất nghiêm trọng.

Wave và trọng lượng

Sự khởi đầu của thế kỷ XX đã đầy rẫy những khám phá liên quan đến thế giới của các hạt cơ bản. Nhưng những bí ẩn lớn nhất là nghịch lý sau đây: trong một số trường hợp, các hạt hoạt động giống như đối tượng với khối lượng (và do đó đà), và một số - như một làn sóng. Sau khi tranh chấp lâu dài và dai dẳng đã đi đến kết luận không thể xảy ra: electron, proton và neutron có các đặc tính này cùng một lúc. Hiện tượng này được gọi là lưỡng tính sóng-hạt (trong bài phát biểu của các nhà khoa học Nga hai trăm năm trước tiểu thể gọi là hạt). Như vậy, một electron là một khối lượng nhất định, vì nó đã được bôi trong một làn sóng của một tần số nhất định. Điện tử quay xung quanh hạt nhân nguyên tử, vô hạn áp đặt sóng vào nhau. Do đó, chỉ có ở những khoảng cách nhất định từ trung tâm (mà phụ thuộc vào bước sóng), xoay sóng electron, không triệt tiêu lẫn nhau. Điều này xảy ra khi có ít áp đặt các "đầu" của sóng điện tử trên mức cao "đuôi" của nó trùng với mức tối đa và tối thiểu - tối thiểu. Điều này giải thích sự lượng tử hóa năng lượng của nguyên tử, có nghĩa là, sự hiện diện của một quỹ đạo được xác định rõ trong đó electron có thể tồn tại.

nanokon cầu trong chân không

Tuy nhiên, hệ thống thực sự là vô cùng phức tạp. Vâng logic mô tả ở trên có thể được hiểu thêm hệ thống quỹ đạo electron trong hydro và heli. Tuy nhiên, từ đó trở đi nhu cầu chứ không phải tính toán phức tạp. Để tìm hiểu làm thế nào để hiểu sinh viên hiện đại học năng lượng lượng tử của hạt trong giếng thế. Để bắt đầu, lựa chọn hình thức lý tưởng của một hố và một mô hình điện tử duy nhất. Để giải quyết những phương trình Schrödinger là mức năng lượng mà tại đó một electron có thể được. Sau khi học tập để tìm kiếm phụ thuộc, giới thiệu biến hơn: chiều rộng và chiều sâu của giếng, năng lượng và tần số của điện tử mất tính xác định của nó, thêm phương trình phức tạp. Hơn nữa hình dạng hố được thay đổi (ví dụ, nó trở thành hồ sơ vuông hoặc có răng, các cạnh mất đối xứng của nó), được lấy hạt cơ bản giả với đặc tính mong muốn. Và chỉ sau đó học cách giải quyết vấn đề, trong đó xuất hiện sự lượng tử hóa năng lượng bức xạ của các nguyên tử thực tế và thậm chí các hệ thống phức tạp hơn.

đà Impulse

Tuy nhiên, mức độ năng lượng, ví dụ, một electron - là giá trị nhiều hơn hoặc ít hơn rõ ràng. Tất cả, bằng cách này hay cách khác, nhưng có vẻ như rằng năng lượng của pin sưởi ấm trung tâm cao hơn, cao hơn nhiệt độ trong căn hộ. Theo đó, lượng tử hóa năng lượng vẫn còn có thể tưởng tượng tâm. Ngoài ra còn có các khái niệm trong vật lý có ý nghĩa trực giác khó khăn. Đà là sản phẩm tốc độ vĩ mô xuống đất (không quên rằng tốc độ và động lực của cả hai - độ lớn vector, ví dụ: không phụ thuộc vào hướng). Đó là do sự thúc đẩy rõ ràng là giá trị trung bình chậm bay đá chỉ để lại một vết bầm, nếu bạn rơi vào một người đàn ông, sau đó là một viên đạn nhỏ, bắn ở tốc độ cao, phá vỡ thông qua cơ thể. Trong xung vi cùng - đây là một số lượng như vậy mà đặc trưng cho mối quan hệ của hạt với không gian xung quanh, cũng như điều hướng tài sản của mình và tương tác với các hạt khác. Sau này là phụ thuộc trực tiếp vào năng lượng. Do đó, nó trở nên rõ ràng rằng sự lượng tử hóa năng lượng và động lực của hạt phải được kết nối với nhau. Hơn nữa, h không đổi, mà chỉ ra các phần thấp nhất có thể của hiện tượng vật lý và cho thấy giá trị rời rạc bao gồm trong công thức và năng lượng và động lực của các hạt trong nanoworld. Nhưng có một khái niệm còn xa hơn từ nhận thức trực quan - đà. Nó đề cập đến các cơ quan xoay và phương tiện gì một khối lượng và vận tốc góc quay. Nhớ lại, vận tốc góc chỉ ra tầm quan trọng của luân chuyển mỗi đơn vị thời gian. Các mômen động lượng cũng có thể báo cáo phương pháp phân bổ chất cơ thể xoay: các đối tượng với khối lượng tương tự nhưng trọng tâm về trục quay hoặc trên ngoại vi sẽ có mômen động lượng khác nhau. Như người đọc có thể đã đoán, trong thế giới nguyên tử là lượng tử hóa năng lượng của xung lượng góc.

Quantum và Laser

Tác động của việc mở cửa năng lượng rời rạc và đại lượng khác rõ ràng. Một nghiên cứu chi tiết của thế giới chỉ có thể nhờ vào lượng tử. phương pháp hiện đại nghiên cứu vật liệu, việc sử dụng các vật liệu khác nhau và thậm chí khoa học để tạo ra chúng - một phần mở rộng tự nhiên của sự hiểu biết những gì lượng tử hóa năng lượng. Nguyên tắc hoạt động và việc sử dụng của laser - không là ngoại lệ. Nói chung, laser bao gồm ba yếu tố cơ bản: chất lỏng làm việc, và một tấm gương phản xạ bơm. Chất lỏng hoạt động được chọn sao cho có tồn tại hai tương đối gần với mức cho electron. Các tiêu chí quan trọng nhất đối với các mức là tuổi thọ của các electron trên chúng. Đó là bao nhiêu electron có thể tồn tại trong một trạng thái đặc biệt trước khi đi vào một vị trí thấp hơn và ổn định. Trong số hai cấp độ nên tồn tại lâu dài hơn trên. Sau đó bơm (thường - một bóng đèn tiêu chuẩn, đôi khi - hồng ngoại) cung cấp cho các electron có đủ năng lượng cho tất cả các người đang tề tựu ở tầng trên của năng lượng và tích lũy ở đó. Đây được gọi là mức độ đảo ngược dân số. Hơn nữa, một số một electron di chuyển sang trạng thái thấp hơn và ổn định với sự phát xạ của một photon, gây gián đoạn của các electron xuống. Các tính năng của quá trình này là tất cả các photon do đó thu được có bước sóng tương tự và mạch lạc. Tuy nhiên, chất lỏng làm việc là thường đủ lớn, và nó tạo ra dòng chảy trực tiếp theo các hướng khác nhau. Vai trò của các gương phản xạ là để lọc ra chỉ những dòng photon, mà có cùng một hướng. Kết quả là, sản lượng là một chùm dữ dội hẹp của sóng mạch lạc các bước sóng tương tự. Lúc đầu, điều này đã nghĩ rằng có thể chỉ trong một chất rắn. Laser đầu tiên là boule như chất lỏng làm việc. Giờ đây, có laser của tất cả các loại và các loại - chất lỏng, khí, và thậm chí phản ứng hóa học. Như người đọc có thể thấy, vai trò chính trong quá trình này được chơi bởi sự hấp thụ và phát xạ ánh sáng bởi các nguyên tử. lượng tử hóa năng lượng trong trường hợp này chỉ là cơ sở để mô tả lý thuyết.

Ánh sáng và điện tử

Nhớ lại rằng quá trình chuyển đổi của một electron trong một nguyên tử từ một quỹ đạo khác được kèm theo hoặc là phát xạ hoặc hấp thụ năng lượng. Năng lượng này xuất hiện như một photon của ánh sáng, hoặc photon. Chính thức, các photon là một hạt, nhưng trên các cư dân khác của nanoworld là khác nhau. Photon không có khối lượng, nhưng có đà. Ông đã chứng minh nó chưa Nga nhà khoa học Lebedev năm 1899, thể hiện rõ áp lực của ánh sáng. Photon chỉ tồn tại trong phong trào và tốc độ của nó là tốc độ của ánh sáng. Đây là cách nhanh nhất có thể trong vũ trụ đối tượng của chúng tôi. Tốc độ ánh sáng (thường là chỉ định bởi một nhỏ Latinh "c") là khoảng ba trăm ngàn kilomet mỗi giây. Ví dụ, kích thước của thiên hà của chúng ta (không phải là rất lớn trên các tiêu chuẩn không gian) là khoảng một trăm ngàn năm ánh sáng. Đối mặt với vấn đề này, các photon mang đến cho ông quyền lực của mình hoàn toàn, như thể hòa tan trong này. Năng lượng photon, được phát hành hoặc hấp thụ trong quá trình chuyển đổi của một electron từ một quỹ đạo khác phụ thuộc vào khoảng cách giữa các quỹ đạo. Nếu nó là nhỏ - đứng ra tia hồng ngoại có năng lượng thấp, nếu lớn - có được tia cực tím.

X-quang và tia gamma

phạm vi điện từ sau khi tia cực tím gồm một roentgen và gamma bức xạ. Nói chung họ là những bước sóng, tần số và năng lượng đang chồng chéo trong một phạm vi khá rộng. Đó là, có một photon tia X có bước sóng 5 picometers và gamma photon của bước sóng tương tự. Họ chỉ khác nhau trong cách chuẩn bị. Roentgen xảy ra trong sự hiện diện của electron rất nhanh, và bức xạ gamma thu được duy nhất trong quá trình tan rã và kết dính của hạt nhân. X-quang được chia thành nhẹ (với sự giúp đỡ của phổi con người mờ và xương) và cứng (thường là chỉ cần thiết cho mục đích công nghiệp hoặc nghiên cứu). Nếu rất nhanh mạnh electron, và sau đó đột ngột giảm tốc độ của nó (ví dụ, gửi một chất rắn), nó sẽ tỏa ra photon X-ray. Trong va chạm của các electron với bản chất của các nguyên tử mục tiêu, các electron được kéo ra khỏi vỏ thấp hơn. Các electron vỏ thượng thế chỗ của họ, quá trình chuyển đổi cũng phát ra tia X.

tia gamma xảy ra trong các trường hợp khác. Các hạt nhân của các nguyên tử, mặc dù họ bao gồm nhiều hạt cơ bản, cũng được đặc trưng bởi kích thước nhỏ, và do đó, họ có xu hướng lượng tử hóa năng lượng. Việc chuyển đổi của hạt nhân kích thích nhà nước thấp hơn, phải, và kèm theo sự phát xạ của tia gamma. Bất kỳ sự sụp đổ của các phản ứng hoặc phản ứng tổng hợp hạt nhân diễn ra, trong đó có sự xuất hiện của photon gamma.

phản ứng hạt nhân

Hơi trên, chúng tôi đã đề cập rằng hạt nhân nguyên tử cũng phải tuân thủ các quy luật của thế giới lượng tử. Nhưng cũng có những chất tự nhiên xảy ra lõi lớn như vậy, họ trở nên không ổn định. Họ có xu hướng phá vỡ thành các thành phần nhỏ hơn và mạnh mẽ hơn. Những khi người đọc đã có thể đoán, là, ví dụ, plutonium và uranium. Khi hành tinh chúng ta được hình thành từ một đĩa tiền hành tinh, đã có một số tiền nhất định của các chất phóng xạ. Kể từ khi họ bị hư hỏng theo thời gian, biến thành nguyên tố hóa học khác. Tuy nhiên, đã sống sót một số uranium nondecayed, và số tiền của nó có thể được đánh giá, ví dụ, tuổi của trái đất. Đối với nguyên tố hóa học có độ phóng xạ tự nhiên, có như vậy một đặc tính như một thời gian chu kỳ bán rã. Đây là khoảng thời gian mà số lượng còn lại của các nguyên tử của loại hình này sẽ được giảm đi một nửa. Chu kỳ bán rã của plutonium, ví dụ, có một hai mươi bốn ngàn năm. Tuy nhiên, ngoài các phóng xạ tự nhiên, có cũng buộc. Nếu bắn phá alpha-hạt hoặc ánh sáng neutron hạt nhân nguyên tử nặng, họ crack. Trong trường hợp này có ba loại bức xạ ion hóa: các hạt alpha, hạt beta, tia gamma. phân rã beta của hạt nhân dẫn đến sự thay đổi về đơn vị phụ trách. hạt alpha lấy hạt nhân hai positron. bức xạ gamma không có điện tích và điện từ trường không bị lệch, nhưng có sức mạnh thâm nhập cao nhất. lượng tử hóa năng lượng xảy ra trong mọi trường hợp, hạt nhân.

Chiến tranh và Hòa bình

Laser, X-quang, một nghiên cứu của các chất rắn và các ngôi sao - tất cả các ứng dụng hòa bình của kiến thức về lượng tử. Tuy nhiên, thế giới của chúng tôi là đầy đủ của các mối đe dọa, và ai cũng muốn bảo vệ mình. Khoa học phục vụ mục đích quân sự quá. Ngay cả một người bảo vệ đưa thế giới hoàn toàn hiện tượng lý thuyết lượng tử như năng lượng. Một số rời rạc bất kỳ bức xạ, ví dụ, hình thành cơ sở của vũ khí hạt nhân. các đơn vị chiến đấu tất nhiên, ứng dụng của nó tích lũy - có khả năng người đọc sẽ nhớ Hiroshima và Nagasaki. Tất cả các lý do khác, nhấn nút đỏ ấp ủ đó là nhiều hay ít hòa bình. Vì nó luôn luôn là câu hỏi của ô nhiễm phóng xạ của môi trường. Ví dụ, chu kỳ bán rã của plutonium nêu trên làm cho cảnh quan, trong đó yếu tố này được không thích hợp để sử dụng trong một thời gian rất dài, thời đại gần như địa chất.

Nước và dây

Chúng ta hãy quay trở lại sử dụng hòa bình của phản ứng hạt nhân. Điều này, tất nhiên, nói về việc sản xuất điện bằng phương tiện của phân hạch hạt nhân. Quá trình này trông như thế này:

Cốt lõi của lò phản ứng ban đầu là các neutron tự do và sau đó họ nhấn một nguyên tố phóng xạ (thường là urani đồng vị), mà phải trải qua một phân rã alpha hoặc beta.

Để phản ứng này đã không được thông qua trong bước không kiểm soát được, lõi lò phản ứng bao gồm một cái gọi là chất ức chế. Như một quy luật, nó được làm bằng thanh graphite, đó là rất tốt hấp thụ neutron. Bằng cách điều chỉnh độ dài của chúng, có thể theo dõi tốc độ phản ứng.

Kết quả là, một trong những yếu tố được chuyển thành khác, số lượng đáng kinh ngạc của năng lượng phát hành. Năng lượng này được hấp thụ bởi ống đựng đầy những cái gọi là nước nặng (thay vì các phân tử hydro deuterium). Theo kết quả của tiếp xúc với lõi lò phản ứng mà nước bị ô nhiễm nặng các sản phẩm phân rã phóng xạ. Đó tái chế nước này là vấn đề lớn nhất của điện hạt nhân vào lúc này.

Trong mạch nước đầu tiên được đặt thứ hai trong thứ hai - thứ ba. Nước của mạch thứ ba là đã an toàn để sử dụng, và nó quay tuabin, trong đó sản xuất điện.

Mặc dù một số lượng lớn như vậy của người trung gian giữa năng lượng phát hành trực tiếp lõi và người dùng cuối (đừng quên hàng chục km đường dây, mà còn tổn thất điện năng), phản ứng này mang lại cho sức mạnh khủng khiếp. Ví dụ, một nhà máy điện hạt nhân có thể cung cấp điện cho toàn bộ khu vực với nhiều ngành công nghiệp.