Quantization tal-enerġija ta 'elettroni atomu. Metodu ta 'produzzjoni ta' enerġija f'reattur minn newtroni bil-mod

Dan l-artikolu taħdidiet dwar dak li l-quantization ta 'enerġija u s-sinifikat ta' dan il-fenomenu huwa li x-xjenza moderna. Din turi l-istorja ta 'l-iskoperta ta' separazzjoni ta 'l-enerġija, u wkoll wera l-ambitu ta' atomi quantized.

Tmiem tal-fiżika

Fis-seklu dsatax tard, id-dilemma ffaċċjati minn xjentisti: il-livell mbagħad eżistenti ta 'teknoloġija, il-liġijiet possibbli tal-fiżika ġew skoperti, deskritti u studjati. L-istudenti li kellhom abbiltajiet żviluppati ħafna fil-xjenzi, l-għalliem avżati biex ma jagħżlu fiżika. Huma jemmnu li glorified ma jkunx aktar possibbli, kien hemm biss xogħol ta 'rutina għall-istudju ta' dettalji żgħar żgħar. Huwa aktar adattati bniedem bir-reqqa, mhux talent. Madankollu, l-istampa li hija aktar divertenti kienet l-iskoperta ta l-okkażjoni biex jirriflettu. Kollox beda bil-inkonsistenzi sempliċi. Biex tibda, rriżulta li d-dawl ma tantx huwa solidu: f'ċerti kundizzjonijiet, il-ħruq ta 'idroġenu xellug fuq in-numru pjanċa ta' linji minflok waħda biss fuq il-post. Barra minn hekk, instab li l-ispektra ta 'l-elju kellhom linji aktar minn ispektra idroġenu. Imbagħad ġie skopert li l-traċċa ta 'stilla waħda hija differenti mill-oħrajn. U kurżità pur riċerkaturi sfurzati manwalment tpoġġi esperjenza wara xulxin fit-tfittxija ta 'tweġibiet għall-mistoqsijiet. Dwar l-użu kummerċjali ta 'skoperti tagħhom huma ma ħsibt ta'.

Planck u quantum

Fortunatament għalina, dan il-breakthrough fil-fiżika kien akkumpanjat mill-iżvilupp tal-matematika. Minħabba li l-ispjegazzjoni ta 'dak li qed jiġri tajbin fil-formola oerhört kumplessi. Fl-1900, Maks Plank, li jaħdmu fuq it-teorija ta 'radjazzjoni tal-ġisem assolutament iswed, sabet li l-enerġija hija quantized. Fil-qosor tgħidilna dwar it-tifsira ta 'din id-dikjarazzjoni hija pjuttost sempliċi. Kull partiċella elementari jista 'jkun biss xi kondizzjonijiet speċifiċi. Jekk jikkawżaw mudell mhux maħduma, il-counter jista 'juri tali stati ta' 1, 3, 8, 13, 29, 138. Il-valuri oħra mhumiex disponibbli bejniethom. Ir-raġunijiet għal dan aħna se jiżvelaw aktar tard. Madankollu, jekk inti adsa fis-istorja ta din l-iskoperta, ta 'min jinnota li l-xjenzat kkunsidrat l quantization enerġija tat-tmiem tal-ħajja huwa biss trick matematika konvenjenti, mhuwiex mogħni bi sens fiżiku serju.

Mewġ u l-piż

Il-bidu tas-seklu għoxrin kien miżgħud bl-iskoperti relatati mal-dinja ta 'partiċelli elementari. Iżda l-akbar misteru huwa l-paradoss li ġejja: f'xi każijiet, il-partiċelli jaġixxix bħal oġġetti b'massa (u għalhekk momentum), u xi - bħal mewġa. Wara tilwim twal u persistenti kienet waslet għall-konklużjoni improbabbli: elettroni, protoni u newtroni jkollhom dawn il-proprjetajiet simultanjament. Dan il-fenomenu jissejjaħ duwalità mewġa-partiċella (fid-diskors ta 'xjenzjati Russi mitejn sena ilu corpuscle imsejħa partiċelli). Għalhekk, elettron huwa massa ċerta, kif kienu smeared fil mewġa ta 'ċerta frekwenza. Elettroniku li tiġi assenjata b'rotazzjoni madwar nukleu atomiku, infinitament jimponi mewġ fuq xulxin. Konsegwentement, biss f'ċerti distanzi miċ-ċentru (li jiddependu mill-wavelength), il idur mewġ elettron, ma jikkanċellaw lil xulxin. Dan iseħħ meta li timponi l- "ras" tal-mewġa elettron fuq tagħha quċċati "denb" jikkoinċidu mal-maximums u minimums - ammonti minimi. Dan jispjega l-quantization tal-enerġija tal-atomu, jiġifieri, l-preżenza ta 'orbiti definiti sew li fiha l-elettron jista' jeżisti.

nanokon sferiku fil-vakwu

Madankollu, is-sistemi reali huma oerhört kumplessi. Obeying il-loġika deskritta hawn fuq tista 'tinftiehem aktar is-sistema se jduru elettroni fil idroġenu u elju. Madankollu, minn dak iż-ħtieġa pjuttost kalkoli kumplessi. Biex jitgħallmu kif jifhmu istudenti moderni jitgħallmu l-enerġija quantization tal-partiċelli fil-tajjeb potenzjali. Biex tibda, jagħżlu l-forma ideali ta 'għadma u mudell elettroni wieħed. Biex issolvi dawn ekwazzjoni ta 'Schrödinger huma livelli ta' enerġija li fih elettron jista jkun. Wara t-tagħlim biex tfittex dipendenzi, l-introduzzjoni varjabbli aktar: il-wisa 'u fond tal-bir, l-enerġija u l-frekwenza tal-elettron jitlef definiteness tagħha, u żżid ekwazzjonijiet kumplessità. Aktar forma fossa tinbidel (pereżempju, isir profil kwadra jew bis-snien, it-truf jitilfu simetrija tiegħu), hija meħuda partiċelli elementari ipotetiċi b'karatteristiċi mixtieqa. U biss imbagħad jitgħallmu sabiex isolvu problemi li fih jidher l quantization enerġija radjanti ta 'l-atomi reali u anke sistemi aktar kumplessi.

momentum impuls

Madankollu, il-livell ta 'enerġija, per eżempju, elettron - valur aktar jew anqas ċara. Kollox, b'xi mod jew ieħor, iżda jidher li l-ogħla-enerġija tal-batterija tat-tisħin ċentrali, l-ogħla temperatura fl-appartament. Għaldaqstant, il-quantization ta 'enerġija għadu possibbli li wieħed jimmaġina l-moħħ. Hemm ukoll kunċetti fil-fiżika li jagħmlu sens intuwittivament diffiċli. Il-momentum huwa l-prodott veloċità makro-art (ma ninsewx li l-veloċità u l-momentum tat-tnejn - kobor vettur, jiġifieri indipendenti mill-direzzjoni). Huwa minħabba impuls huwa ċar li l-valur medju bil-mod jtajru ġebel biss leave tbenġil, jekk inti jaqgħu raġel, imbagħad bħala bulit żgħar, sparati b'veloċità għolja, pawżi permezz tal-korp. Fl-istess polz mikro - dan huwa tali kwantità li tikkaratterizza r-relazzjoni tal-partiċelli mal-ispazju madwar, kif ukoll jinnavigaw proprjetà tagħha u jinteraġixxu ma 'partikoli oħra. L-aħħar huwa direttament dipendenti fuq l-enerġija. B'hekk, isir ċar li l-quantization ta 'enerġija u l-momentum tal-partiċella għandhom ikunu interkonnessi. Barra minn hekk, il-h kostanti, li jindika l-porzjon baxx possibbli tal-fenomenu fiżiku u turi l-valuri diskreti inklużi fil-formula u l-enerġija u l-momentum tal-partiċelli fil-nanoworld. Iżda hemm kunċett saħansitra aktar 'il bogħod mill-għarfien intuwittivi --momentum. Hija tirreferi għall-korpi jduru u l-mezzi liema massa u veloċità angolari rotazzjoni. Recall, il-veloċità angolari juri l-kobor ta 'rotazzjoni għal kull unità ta' ħin. Il-momentum angolari huwa wkoll kapaċi li tirrapporta metodu ta 'allokazzjoni tas-sustanza korp jduru: oġġetti bl-istess massa iżda iċċentrata madwar l-assi tar-rotazzjoni jew fuq il-periferija se jkollhom momentum angolari differenti. Peress li l-qarrej probabbilment diġà guessed, fid-dinja atomiku hija quantization enerġija ta 'momentum angolari.

Quantum u Laser

L-impatt tal-ftuħ tal-enerġija diskreti u l-kwantitajiet oħra ovvji. Studju dettaljat tad-dinja huwa biss possibbli grazzi għall-kwantum. metodi moderni ta 'studju l-materjal, l-użu ta' materjali differenti u anke x-xjenza biex jinħolqu minnhom - estensjoni naturali ta 'fehim dak quantization enerġija. Il-prinċipju ta 'operazzjoni u l-użu ta' lejżer - l-ebda eċċezzjoni. Ġeneralment, il-laser jikkonsisti fi tliet elementi bażiċi: il-fluwidu operattiv, u mera pompa riflettur. Il-fluwidu operattiv huwa magħżul biex jeżistu żewġ relattivament qrib il-livell ta 'elettroni. L-iktar kriterju importanti li dawn il-livelli huwa l-ħajja ta 'elettroni fuqhom. Dan huwa kemm l-elettron huwa kapaċi jgħix fi stat partikolari qabel tmur ġo pożizzjoni t'isfel u stabbli. Taż-żewġ livelli għandhom ikunu aktar fit-għexu fuq. Imbagħad ippumpjar (spiss - bozza standard, xi kultant - infra-aħmar) jagħti l-elettroni jkollhom biżżejjed enerġija biex kull wieħed minnhom miġbura fuq il-livell ta 'fuq ta' enerġija u akkumulati hemmhekk. Din tissejjaħ livelli inverżjoni tal-popolazzjoni. Barra minn hekk, xi wieħed jiċċaqlaq elettroni għal stat aktar baxx u stabbli mal-emissjoni ta 'foton, li jikkawżaw tfixkil ta' elettroni isfel. Il-karatteristika ta 'dan il-proċess huwa li l-photons kollha hekk huma miksuba għandhom l-istess wavelength u koerenti. Madankollu, il-fluwidu operattiv huwa normalment kbar biżżejjed, u hija ġġenerat flussi diretti f'direzzjonijiet differenti. Ir-rwol tal-mera riflettur huwa li jiffiltraw biss dawk il-flussi ta 'photons, li għandhom l-istess direzzjoni. Bħala riżultat, l-output huwa raġġ intens dejqa ta 'mewġ koerenti ta' l-istess wavelength. Għall-ewwel, dan kien ħsibt possibbli biss solidu. L-ewwel laser kien boule bħala l-fluwidu operattiv. Issa, hemm lejżers 'kull tip u tipi - likwidi, gass, u reazzjonijiet kimiċi anke. Peress li l-qarrej jista 'jara, ir-rwol ewlieni f'dan il-proċess hu f'idejn l-assorbiment u l-emissjoni ta' dawl mill-atomu. quantization ta 'enerġija f'dan il-każ huwa biss il-bażi biex jiġi deskritt l-teorija.

Dawl u elettroni

Ifakkar li t-tranżizzjoni ta 'elettroni atomu minn orbita għall-ieħor huwa akkumpanjat minn jew emissjoni jew l-assorbiment ta' enerġija. Din l-enerġija tidher bħala foton ta 'dawl, jew foton. Formalment, il-foton huwa partiċelli, iżda fuq l-abitanti oħra tal-nanoworld hija differenti. Foton m'għandha l-ebda massa, iżda għandha momentum. Huwa wera encore Russu xjenzat Lebedev fl-1899, li juri b'mod ċar il-pressjoni ta 'dawl. Photon jeżisti biss fil-moviment u l-veloċità tagħha hija l-veloċità tad-dawl. Dan huwa l-aktar possibbli oġġett univers tagħna. Il-veloċità tad-dawl (tipikament indikat minn żgħir Latina "c") hija madwar 300,000 kilometru kull sekonda. Per eżempju, id-daqs tal-galaxie tagħna (mhux kbir ħafna fuq standards ispazju) huwa ta 'madwar ftit mitt elf dawl snin. Quddiem il-kwistjoni, il-foton tagħtih setgħa tiegħu kompletament, bħallikieku maħlul f'dan. L-enerġija foton, li huwa rilaxxat jew assorbit fit-tranżizzjoni ta elettron minn orbita għall-ieħor jiddependi fuq id-distanza bejn il-orbiti. Jekk huwa żgħir - jispikka raġġi infra-aħmar bl-enerġija baxxa, jekk kbar - tikseb ultravjola.

X-rays u raġġi gamma

Firxa elettromanjetika wara ultravjola jinkludi roentgen u gamma radjazzjoni. Ġeneralment dawn huma l-wavelength, il-frekwenza u l-enerġija huma jikkoinċidu fil-firxa pjuttost wiesgħa. Dan huwa, hemm photon X-ray bi frekwenza ta '5 picometers u photon gamma tal-istess wavelength. Dawn huma differenti biss fil-mod ta 'preparazzjoni. Roentgen iseħħ fil-preżenza ta 'elettroni malajr ħafna, u r-radjazzjoni gamma jinkiseb biss fil-proċessi ta' diżintegrazzjoni u coalescence tal nuklei. X-rays huwa maqsum ħafif (bl-għajnuna tal-pulmuni tal-bniedem trasluċidi u l-għadam) u iebes (normalment meħtieġ biss għal skopijiet industrijali jew ta 'riċerka). Jekk ħafna aċċellerat b'mod qawwi elettroni, u mbagħad f'daqqa tnikkirx tagħha (eż tibgħat solidu), se radiate photons-raġġi X. Fil kolliżjonijiet ta 'dawn elettroni bis-sustanza ta' l-atomi mira, elettroni huma miġbud 'il barra mill-qoxra aktar baxxi. L-elettroni qxur ta 'fuq jseħħu tagħhom, it-tranżizzjoni jarmu wkoll X-rays.

raġġi gamma jseħħu f'każijiet oħra. -Nuklei ta 'atomi, anki jekk dawn jikkonsistu minn partiċelli elementari ħafna, huwa wkoll ikkaratterizzat bid-daqs żgħir, u għalhekk, dawn għandhom tendenza li quantization enerġija. It-tranżizzjoni ta 'nuklei eċċitati istat għal inqas, id-dritt, u akkumpanjat bil-emissjoni ta' raġġi gamma. Kwalunkwe kollass tar-reazzjoni jew fużjoni nukleari sseħħ, inkluża l-emerġenza ta 'photons gamma.

reazzjoni nukleari

Ftit hawn fuq, aħna semma li nukleji atomiċi huma wkoll suġġetti għal-liġijiet tad-dinja kwantum. Iżda hemm sustanzi li jokkorru b'mod naturali bħal dawn qlub kbar, huma jsiru instabbli. Huma għandhom tendenza li jkissru fil-komponenti iżgħar u aktar robusti. Dawn, kif il-qarrej ikun probabbilment guessed, huma, pereżempju, plutonju u uranju. Meta pjaneta tagħna ffurmat minn disk protoplanetary, kien hemm ċertu ammont ta 'sustanzi radjuattivi. Peress li dawn imħassra maż-żmien, trasformat elementi kimiċi oħra. Għad trid baqgħu ħajjin numru ta 'uranju nondecayed, u l-ammont tagħha jista' jiġi ġġudikat, per eżempju, l-età tad-dinja. Għal elementi kimiċi li għandhom radjoattività naturali, hemm tali karatteristika bħala żmien half-life. Dan huwa l-perjodu ta 'żmien li jkun fadal ta' atomi ta 'dan it-tip se jitnaqqas bin-nofs. Half-life ta 'plutonju, per eżempju, hemm elf erbgħa u għoxrin sena. Madankollu, minbarra l-radjuattività naturali, hemm ukoll sfurzata. Jekk bombard tqal alpha-partiċelli jew dawl neutron nukleji atomiċi, huma xquq. F'dan il-każ hemm tliet tipi ta 'radjazzjoni jonizzanti: frak alpha, partiċelli beta, raġġi gamma. tmermir beta ta 'nuklei twassal għal bidla fl-unità ħlas. partiċelli alpha jieħdu l-nukleu żewġ positrons. radjazzjoni gamma m'għandha l-ebda ħlas u l-kamp elettromanjetiku ma jitbiegħedx, iżda għandha l-ogħla qawwa penetranti. quantization ta 'enerġija iseħħ fil-każijiet kollha, in-nukleu.

Gwerra u l-Paċi

Lasers, X-rays, studju ta 'solidi u l-istilel - applikazzjonijiet paċifiċi kollha ta' għarfien dwar quanta. Madankollu, id-dinja tagħna hija sħiħa ta 'theddid, u kulħadd jixtieq li jipproteġu lilhom infushom. Xjenza jservi skopijiet militari wisq. Fuq anki gwardja tpoġġi l-dinja purament fenomenu teoretika kif quantization enerġija. Ċerti diskreti kwalunkwe radjazzjoni, per eżempju, iffurmaw il-bażi ta 'armi nukleari. unitajiet tal-ġlied Naturalment, l-applikazzjonijiet tagħha akkumulati - x'aktarx l-qarrej ser tiftakar Hiroshima u Nagasaki. Kollha raġunijiet oħra, agħfas il-buttuna ħamra għeżież kien aktar jew anqas paċifika. Peress li huwa dejjem il-kwistjoni ta 'kontaminazzjoni radjoattiva ta' l-ambjent. Per eżempju, il-half-life ta 'plutonju indikat hawn fuq jagħmel il-pajsaġġ li fih dan l-element gets tajbin għall-użu għal żmien twil ħafna, Epoch kważi ġeoloġiku.

Ilma u wajers

Let us ritorn għall-użu paċifiku ta 'reazzjonijiet nukleari. Dan, naturalment, jitkellem dwar il-produzzjoni tal-elettriku permezz tal-fissjoni nukleari. Dan il-proċess tidher bħal dan:

Il-qalba tar-reattur inizjalment bħala l-newtroni ħielsa u allura dawn hit element radjuattiv (tipikament iżotopu uranju), li jgħaddi alfa jew beta tħassir.

Din ir-reazzjoni ma għadda fil-pass bla kontroll, il-qalba tar-reattur jinkludi xi hekk imsejħa ritardaturi. Bħala regola, huwa magħmul minn vireg tal-grafita, li huma ferm jassorbi newtroni. Billi jaġġustaw it-tul tagħhom, huwa possibbli li tissorvelja r-rata ta 'reazzjoni.

Bħala riżultat, l-element wieħed hija trasformata ieħor, l-ammont inkredibbli ta 'enerġija tiġi meħlusa. Din l-enerġija tiġi assorbita mill-canister mimlija bl-ilma tqil hekk imsejħa (minflok molekuli dewterju idroġenu). Bħala riżultat ta 'kuntatt mal-qalba tar-reattur li l-ilma ħafna prodotti kkontaminati ta' tħassir radjoattiv. Li r-riċiklaġġ dan l-ilma huwa l-akbar problema tal-enerġija nukleari fil-mument.

Fl-ewwel ċirkwit ilma jitqiegħed tieni fit-tieni - tielet. L-ilma tat-tielet ċirkwit huwa diġà sikuri għall-użu, u li jirriżulta l-turbina, li tipproduċi l-elettriku.

Minkejja tali numru kbir ta 'intermedjarji bejn il-enerġija tiġi meħlusa direttament qlub u l-utent aħħari (ejja ma ninsewx dwar għexieren ta' kilometri ta 'wajers, li wkoll telf fis-saħħa), din ir-reazzjoni jagħti poter inkredibbli. Per eżempju, impjant ta 'enerġija nukleari jistgħu jfornu l-elettriku għall-qasam kollu ma' varjetà ta 'industriji.