Ushbu maqolada energiya kvantlash nima ekanligi va bu hodisaning zamonaviy fan uchun ahamiyati haqida soʻz boradi. Energiyaning diskretligini kashf qilish tarixi, shuningdek, atomlarni kvantlashning qo'llanilishi sohalari keltirilgan.
Fizika oxiri
XIX asrning oxirida olimlar dilemmaga duch kelishdi: texnologiya rivojlanishining o'sha paytdagi darajasida fizikaning barcha mumkin bo'lgan qonunlari kashf etilgan, tavsiflangan va o'rganilgan. Tabiiy fanlar bo'yicha qobiliyatlari yuqori darajada rivojlangan o'quvchilarga o'qituvchilar fizikani tanlashni maslahat bermagan. Ular endi mashhur bo'lishning iloji yo'qligiga ishonishdi, faqat mayda-chuyda tafsilotlarni o'rganish uchun muntazam ish bor edi. Bu qobiliyatli odamga emas, balki diqqatli odamga ko'proq mos edi. Biroq, ko'proq qiziqarli kashfiyot bo'lgan fotosurat o'ylashga asos berdi. Hammasi oddiy nomuvofiqliklardan boshlandi. Boshlash uchun, yorug'lik butunlay uzluksiz emasligi ma'lum bo'ldi: muayyan sharoitlarda vodorodning yonishi fotografik plastinkada bitta nuqta o'rniga bir qator chiziqlar qoldirdi. Keyinchalik geliy spektrlari borligi ma'lum bo'ldivodorod spektrlaridan ko'ra ko'proq chiziqlar. Keyin ba'zi yulduzlarning izi boshqalardan farq qilishi aniqlandi. Va sof qiziqish tadqiqotchilarni savollarga javob izlashda birin-ketin tajriba qo'yishga majbur qildi. Ular o'zlarining kashfiyotlarini tijorat maqsadlarida qo'llash haqida o'ylamaganlar.
Plank va kvant
Bizning baxtimizga fizikadagi bu yutuq matematikaning rivojlanishi bilan birga boʻldi. Chunki nima bo'layotganini tushuntirish nihoyatda murakkab formulalarga to'g'ri keldi. 1900 yilda Maks Plank qora jismning nurlanishi nazariyasi ustida ish olib borar ekan, energiya kvantlanganligini aniqladi. Ushbu bayonotning ma'nosini qisqacha tasvirlab bering, bu juda oddiy. Har qanday elementar zarracha faqat ba'zi o'ziga xos holatlarda bo'lishi mumkin. Agar biz taxminiy modelni beradigan bo'lsak, unda bunday holatlarning hisoblagichi 1, 3, 8, 13, 29, 138 raqamlarini ko'rsatishi mumkin. Va ular orasidagi boshqa barcha qiymatlarga kirish mumkin emas. Buning sabablarini biroz keyinroq ochib beramiz. Ammo, agar siz ushbu kashfiyot tarixiga kirsangiz, shuni ta'kidlash kerakki, olimning o'zi umrining oxirigacha energiya kvantlanishini jiddiy jismoniy ma'noga ega bo'lmagan, faqat qulay matematik hiyla deb hisoblagan.
Toʻlqin va massa
XX asr boshlari elementar zarralar olami bilan bog'liq kashfiyotlar bilan to'la edi. Ammo katta sir quyidagi paradoks edi: ba'zi hollarda zarralar o'zini massali (va shunga mos ravishda impulsli), ba'zi hollarda esa to'lqin kabi tutgan. Uzoq va o'jar munozaralardan so'ng men aql bovar qilmaydigan bir xulosaga kelishga majbur bo'ldim: elektronlar, protonlar vaneytronlar bir vaqtning o'zida bu xususiyatlarga ega. Bu hodisa korpuskulyar-to'lqinli dualizm deb ataldi (ikki yuz yil avval rus olimlarining nutqida zarracha korpuskula deb atalgan). Shunday qilib, elektron ma'lum bir massa bo'lib, go'yo ma'lum bir chastota to'lqiniga surtilgan. Atom yadrosi atrofida aylanadigan elektron o'z to'lqinlarini cheksiz ravishda bir-birining ustiga qo'yadi. Shunday qilib, faqat markazdan ma'lum masofalarda (to'lqin uzunligiga bog'liq) aylanadigan elektron to'lqinlar bir-birini bekor qilmaydi. Bu to‘lqin elektronining “boshi” uning “dumi”ga qo‘yilganda, maksimallar maksimal bilan, minimallari esa minimal bilan to‘g‘ri kelganda sodir bo‘ladi. Bu atom energiyasining kvantlanishini, ya'ni unda elektron mavjud bo'lishi mumkin bo'lgan qat'iy belgilangan orbitalarning mavjudligini tushuntiradi.
Vakuumdagi sharsimon nanohorse
Biroq, haqiqiy tizimlar nihoyatda murakkab. Yuqorida tavsiflangan mantiqqa rioya qilgan holda, vodorod va geliydagi elektronlarning orbitalari tizimini hali ham tushunish mumkin. Biroq, qo'shimcha murakkab hisob-kitoblar allaqachon talab qilinadi. Ularni qanday tushunishni o'rganish uchun zamonaviy talabalar potentsial quduqdagi zarrachalar energiyasini kvantlashni o'rganadilar. Boshlash uchun ideal shakldagi quduq va bitta modelli elektron tanlanadi. Ular uchun ular Shredinger tenglamasini hal qiladilar, elektron bo'lishi mumkin bo'lgan energiya darajalarini topadilar. Shundan so'ng, ular tobora ko'proq o'zgaruvchilarni kiritish orqali bog'liqliklarni qidirishni o'rganadilar: quduqning kengligi va chuqurligi, elektronning energiyasi va chastotasi o'z aniqligini yo'qotadi va tenglamalarga murakkablik qo'shadi. Keyinchalikchuqurning shakli o'zgaradi (masalan, profilda kvadrat yoki qirrali bo'ladi, uning qirralari simmetriyani yo'qotadi), belgilangan xususiyatlarga ega gipotetik elementar zarralar olinadi. Va shundan keyingina ular haqiqiy atomlar va undan ham murakkab tizimlarning nurlanish energiyasini kvantlash bilan bog'liq muammolarni hal qilishni o'rganadilar.
Momentum, burchak momentum
Biroq, aytaylik, elektronning energiya darajasi ko'proq yoki kamroq tushunarli miqdordir. Qanday bo'lmasin, har bir kishi markaziy isitish batareyalarining yuqori energiyasi kvartiradagi yuqori haroratga mos kelishini tasavvur qiladi. Shunga ko'ra, energiyaning kvantlanishini hali ham spekulyativ tarzda tasavvur qilish mumkin. Fizikada intuitiv ravishda tushunish qiyin bo'lgan tushunchalar ham mavjud. Makrokosmosda impuls tezlik va massaning hosilasidir (tezlik impuls kabi vektor kattalik ekanligini unutmang, ya'ni yo'nalishga bog'liq). Sekin-asta uchayotgan o'rta kattalikdagi tosh odamga tegsa, ko'karish qoldirishi, katta tezlikda otilgan kichik o'q esa tanani teshib o'tishi aniq. Mikrokosmosda impuls - bu zarrachaning atrofdagi fazo bilan bog'lanishini, shuningdek uning boshqa zarralar bilan harakat qilish va o'zaro ta'sir qilish qobiliyatini tavsiflovchi miqdor. Ikkinchisi to'g'ridan-to'g'ri energiyaga bog'liq. Shunday qilib, zarrachaning energiyasi va impulsining kvantlanishi o'zaro bog'liq bo'lishi kerakligi aniq bo'ladi. Bundan tashqari, fizik hodisaning mumkin bo'lgan eng kichik qismini bildiruvchi va miqdorlarning diskretligini ko'rsatadigan h doimiysi formulaga kiritilgan vananodunyodagi zarrachalarning energiyasi va impulsi. Ammo intuitiv ongdan ham uzoqroq tushuncha mavjud - impuls momenti. Bu aylanuvchi jismlarga tegishli bo'lib, qanday massa va qanday burchak tezligi bilan aylanishini ko'rsatadi. Eslatib o'tamiz, burchak tezligi vaqt birligidagi aylanish miqdorini ko'rsatadi. Burchak impulsi, shuningdek, aylanuvchi jismning moddasi qanday taqsimlanishini aniqlashga qodir: bir xil massaga ega bo'lgan, lekin aylanish o'qi yaqinida yoki atrofda to'plangan jismlar boshqa burchak momentiga ega bo'ladi. O'quvchi allaqachon taxmin qilganidek, atom dunyosida burchak momentining energiyasi kvantlangan.
Kvant va lazer
Energiya va boshqa miqdorlarning diskretligining kashf etilishining ta'siri yaqqol ko'rinadi. Dunyoni batafsil o'rganish faqat kvant tufayli mumkin. Moddani o'rganishning zamonaviy usullari, turli materiallardan foydalanish va hatto ularni yaratish fanlari energiya kvantlanishi nima ekanligini tushunishning tabiiy davomidir. Operatsion printsipi va lazerdan foydalanish bundan mustasno emas. Umuman olganda, lazer uchta asosiy elementdan iborat: ishchi suyuqlik, nasos va aks ettiruvchi oyna. Ishchi suyuqlik shunday tanlanganki, unda elektronlar uchun ikki nisbatan yaqin daraja mavjud. Bu darajalar uchun eng muhim mezon ulardagi elektronlarning umri hisoblanadi. Ya'ni, elektron pastroq va barqarorroq holatga o'tishdan oldin ma'lum bir holatda qancha vaqt ushlab turishi mumkin. Ikki darajadan yuqorisi uzoqroq bo'lishi kerak. Keyin nasos (ko'pincha an'anaviy chiroq bilan, ba'zan infraqizil chiroq bilan) elektronlarni beradiularning barchasi energiyaning yuqori darajasida to'planishi va u erda to'planishi uchun etarli energiya. Bu teskari darajadagi populyatsiya deb ataladi. Bundan tashqari, bir elektron foton chiqishi bilan pastroq va barqarorroq holatga o'tadi, bu esa barcha elektronlarning pastga parchalanishiga olib keladi. Bu jarayonning o'ziga xosligi shundaki, hosil bo'lgan barcha fotonlar bir xil to'lqin uzunligiga ega va kogerentdir. Biroq, ishchi organ, qoida tariqasida, juda katta va unda turli yo'nalishlarga yo'n altirilgan oqimlar hosil bo'ladi. Ko'zgu aks ettiruvchi oynaning vazifasi faqat bitta yo'nalishga yo'n altirilgan foton oqimlarini filtrlashdan iborat. Natijada, chiqish bir xil to'lqin uzunligidagi kogerent to'lqinlarning tor intensiv nuridir. Avvaliga bu faqat qattiq holatda mumkin deb hisoblangan. Birinchi lazerda ishchi vosita sifatida sun'iy yoqut mavjud edi. Endi lazerlar barcha turdagi va turdagi - suyuqliklarda, gazlarda va hatto kimyoviy reaktsiyalarda mavjud. O'quvchi ko'rib turganidek, bu jarayonda asosiy rolni atom tomonidan yorug'likni singdirish va chiqarish o'ynaydi. Bunda energiyani kvantlash faqat nazariyani tavsiflash uchun asos bo'ladi.
Nur va elektron
Atomdagi elektronning bir orbitadan ikkinchi orbitaga oʻtishi energiyaning chiqishi yoki yutilishi bilan birga boʻlishini esga oling. Bu energiya yorug'lik kvanti yoki foton shaklida namoyon bo'ladi. Rasmiy ravishda, foton zarrachadir, ammo u nanodunyoning boshqa aholisidan farq qiladi. Fotonning massasi yo'q, lekin uning impulsi bor. Buni 1899 yilda rus olimi Lebedev yorug'lik bosimini aniq ko'rsatib isbotladi. Foton faqat harakatda va uning tezligida mavjudyorug'lik tezligiga teng. Bu bizning koinotimizdagi mumkin bo'lgan eng tezkor ob'ekt. Yorug'lik tezligi (odatda kichik lotincha "c" bilan belgilanadi) sekundiga uch yuz ming kilometrni tashkil qiladi. Masalan, bizning galaktikamizning o'lchami (kosmik nuqtai nazardan eng kattasi emas) taxminan yuz ming yorug'lik yili. Modda bilan to'qnashganda, foton unga o'z energiyasini to'liq beradi, go'yo bu holda eriydi. Elektron bir orbitadan ikkinchi orbitaga o'tganda ajralib chiqadigan yoki yutilgan fotonning energiyasi orbitalar orasidagi masofaga bog'liq. Agar u kichik bo'lsa, past energiyali infraqizil nurlanish chiqariladi, agar u katta bo'lsa, ultrabinafsha nurlanadi.
Rentgen va gamma-nurlanish
Ultrabinafshadan keyingi elektromagnit shkalada rentgen va gamma nurlanish mavjud. Umuman olganda, ular to'lqin uzunligi, chastotasi va energiya jihatidan juda keng diapazonda bir-biriga mos keladi. Ya'ni, to'lqin uzunligi 5 pikometr bo'lgan rentgen fotoni va bir xil to'lqin uzunligiga ega gamma foton mavjud. Ular faqat qabul qilish usuli bilan farqlanadi. Rentgen nurlari juda tez elektronlar ishtirokida yuzaga keladi va gamma nurlanish faqat atom yadrolarining parchalanishi va birlashishi jarayonlarida olinadi. Rentgen nurlari yumshoq (odamning o'pkasi va suyaklari orqali ko'rsatish uchun ishlatiladi) va qattiq (odatda faqat sanoat yoki tadqiqot maqsadlarida kerak) bo'linadi. Agar siz elektronni juda kuchli tezlatsangiz va keyin uni keskin sekinlashtirsangiz (masalan, uni qattiq jismga yo'n altirish orqali), u rentgen fotonlarini chiqaradi. Bunday elektronlar materiya bilan to'qnashganda, maqsadli atomlar ajralib chiqadipastki qobiqlardan elektronlar. Bunday holda, yuqori qobiqlarning elektronlari o'z o'rnini egallaydi va o'tish paytida rentgen nurlarini ham chiqaradi.
Gamma kvantlari boshqa hollarda ham uchraydi. Atomlar yadrolari, garchi ular ko'p elementar zarralardan iborat bo'lsa-da, o'lchamlari ham kichikdir, demak ular energiya kvantlanishi bilan tavsiflanadi. Yadrolarning qo'zg'aluvchan holatdan pastki holatga o'tishi aniq gamma nurlarining emissiyasi bilan birga keladi. Har qanday parchalanish yoki yadrolarning sintezi, shu jumladan gamma-fotonlar paydo bo'lishi bilan sodir bo'ladi.
Yadro reaktsiyasi
Biroz yuqorida biz atom yadrolari ham kvant olami qonunlariga bo'ysunishini eslatib o'tdik. Ammo tabiatda shunday katta yadroli moddalar borki, ular beqaror bo'lib qoladi. Ular kichikroq va barqarorroq qismlarga bo'linishga moyildirlar. O'quvchi allaqachon taxmin qilganidek, bularga, masalan, plutoniy va uran kiradi. Sayyoramiz protoplanetar diskdan hosil bo'lganida, unda ma'lum miqdorda radioaktiv moddalar mavjud edi. Vaqt o'tishi bilan ular parchalanib, boshqa kimyoviy elementlarga aylandi. Ammo shunga qaramay, ma'lum miqdordagi parchalanmagan uran bugungi kungacha saqlanib qolgan va uning miqdori bo'yicha, masalan, Yerning yoshini aniqlash mumkin. Tabiiy radioaktivlikka ega kimyoviy elementlar uchun yarim yemirilish davri kabi xususiyat mavjud. Ushbu turdagi qolgan atomlar soni ikki baravar kamayadigan vaqt davri. Masalan, plutoniyning yarim yemirilish davri yigirma to'rt ming yil ichida sodir bo'ladi. Biroq, tabiiy radioaktivlikdan tashqari, majburiy ham bor. Og'ir alfa zarralari yoki engil neytronlar bilan bombardimon qilinganda atomlarning yadrolari parchalanadi. Bu holda ionlashtiruvchi nurlanishning uch turi ajratiladi: alfa zarralari, beta zarralari, gamma nurlari. Beta-parchalanish yadro zaryadining bir marta o'zgarishiga olib keladi. Alfa zarralari yadrodan ikkita pozitron oladi. Gamma nurlanish zaryadga ega emas va elektromagnit maydon tomonidan burilmaydi, lekin u eng yuqori penetratsion kuchga ega. Energiya kvantlanishi yadro parchalanishining barcha holatlarida sodir bo'ladi.
Urush va tinchlik
Lazerlar, rentgen nurlari, qattiq jismlar va yulduzlarni o'rganish - bularning barchasi kvantlar haqidagi bilimlarni tinch qo'llashdir. Biroq, bizning dunyomiz tahdidlarga to'la va har bir kishi o'zini himoya qilishga intiladi. Fan ham harbiy maqsadlarga xizmat qiladi. Hatto energiyani kvantlash kabi sof nazariy hodisa ham dunyoni himoyasiga oldi. Har qanday nurlanishning diskretligini aniqlash, masalan, yadro qurolining asosini tashkil etdi. Albatta, uning jangovar qo'llanilishining bir nechtasi bor - o'quvchi, ehtimol, Xirosima va Nagasakini eslaydi. Qizil tugmani bosishning barcha boshqa sabablari ko'proq yoki kamroq tinch edi. Shuningdek, atrof-muhitning radioaktiv ifloslanishi masalasi doimo mavjud. Masalan, yuqorida ko'rsatilgan plutoniyning yarim yemirilish davri bu element kiradigan landshaftni juda uzoq vaqt, deyarli geologik davrga yaroqsiz holga keltiradi.
Suv va simlar
Yadro reaktsiyalaridan tinch maqsadlarda foydalanishga qaytaylik. Gap, albatta, yadroviy parchalanish orqali elektr energiyasini ishlab chiqarish haqida bormoqda. Jarayon quyidagicha ko'rinadi:
YadrodaReaktorda avval erkin neytronlar paydo bo'ladi, so'ngra ular alfa yoki beta-parchalanishga uchragan radioaktiv elementga (odatda uranning izotopi) uriladi.
Bu reaktsiya nazoratsiz bosqichga o'tishining oldini olish uchun reaktor yadrosida moderatorlar mavjud. Qoidaga ko'ra, bu neytronlarni juda yaxshi o'zlashtiradigan grafit tayoqchalardir. Ularning uzunligini sozlash orqali siz reaksiya tezligini kuzatishingiz mumkin.
Natijada bir element boshqasiga aylanadi va aql bovar qilmaydigan miqdorda energiya ajralib chiqadi. Bu energiya og'ir suv deb ataladigan (deyteriy molekulalarida vodorod o'rniga) to'ldirilgan idish tomonidan so'riladi. Reaktor yadrosi bilan aloqa qilish natijasida bu suv radioaktiv parchalanish mahsulotlari bilan kuchli ifloslangan. Ayni paytda bu suvni utilizatsiya qilish atom energiyasining eng katta muammosidir.
Ikkinchisi birinchi suv pallasiga, uchinchisi ikkinchisiga joylashtiriladi. Uchinchi kontaktlarning zanglashiga olib keladigan suvidan foydalanish allaqachon xavfsiz va aynan u elektr energiyasi ishlab chiqaradigan turbinani aylantiradi.
To'g'ridan-to'g'ri ishlab chiqaruvchi yadrolar va oxirgi iste'molchi o'rtasida juda ko'p vositachilarga qaramay (keling, o'nlab kilometr simlarni ham quvvatini yo'qotib qo'ymaslik kerak), bu reaktsiya aql bovar qilmaydigan quvvat beradi. Masalan, bitta atom elektr stansiyasi koʻplab sanoat tarmoqlariga ega butun hududni elektr energiyasi bilan taʼminlashi mumkin.
