Kvantizacije energije elektrona u atoma. Postupak za proizvodnju energije u reaktoru sporim neutronima

Ovaj članak govori o tome što je kvantizacija energije i značaj ovog fenomena je modernoj znanosti. To pokazuje povijest otkrića pojedinačnosti energije, a također je pokazao opseg kvantiziranim atoma.

Kraj fizike

U kasnom devetnaestom stoljeću, dilema s kojima se suočavaju znanstvenici: tada postojeća razina tehnologije, sve moguće zakoni fizike bili otkriveni, opisano i studirao. Studenti koji su imali visoko razvijene sposobnosti u znanosti, učiteljica savjetovala da ne izabrati fizike. Oni su vjerovali da proslavimo to više nije moguće, bilo je samo rutinski posao za proučavanje malih manjim detaljima. To je više prilagođen oprezan čovjek, a ne darovitih. Međutim, slika koja je više zabavno je otkriće dalo povoda za razmišljanje. Sve je počelo s jednostavnim nedosljednosti. Za početak, ispostavilo se da je svjetlo nije sasvim solidan: u određenim uvjetima, spaljivanje vodika lijevo na broju ploča linija, umjesto samo jednom mjestu. Nadalje, utvrđeno je da je spektar od helija imao više linija nego spektra vodika. Tada je otkriveno da je staza od jedne zvijezde razlikuje od ostalih. I čiste radoznalosti potaknula istraživači ručno staviti jedno iskustvo nakon drugog u potrazi za odgovorima na pitanja. Na komercijalnoj upotrebi njihovih otkrića nisu pomislio.

Planck i kvantna

Srećom za nas, to proboj u fizici bio popraćen razvoju matematike. Budući da je objašnjenje što se događa uklapaju u nevjerojatno složene formule. Godine 1900., Maks Plank, radi na teoriji zračenja apsolutno crnog tijela, pokazalo je da je energija kvantizirana. Ukratko nam reći o značenju ove izjave je vrlo jednostavna. Svaka elementarna čestica može biti samo u nekim posebnim uvjetima. Ako uzrokuju grubi modela, brojač može prikazati takve države od 1, 3, 8, 13, 29, 138. Sve ostale vrijednosti nisu dostupne između njih. Razlozi za to ćemo otkriti kasnije. Međutim, ako zaronite u priči o ovom otkriću, to je napomenuti da je znanstvenik smatra energija kvantizacija kraja života je samo zgodan matematički trik, nije obdarena teškom tjelesnom smislu.

Val i težina

Početak dvadesetog stoljeća bila je prepuna otkrića vezanih uz svijet elementarnih čestica. No, najveći misterij je sljedeći paradoks: u nekim slučajevima, čestice se ponašaju kao objekte s masom (a time i zamah), a neki - poput vala. Nakon dugih i upornih sporovi došli do zaključka nevjerojatan: elektroni, protoni i neutroni imaju ta svojstva istovremeno. Ovaj fenomen se zove dvojnost val-čestica (u govoru ruskih znanstvenika prije dvije stotine godina najsitniji zove čestica). Dakle, elektron je određena masa, kao što su premazani u valu određene frekvencije. Elektronički koja se vrti oko atomske jezgre, beskrajno nameće valove jedni na druge. Prema tome, samo na određenim udaljenostima od centra (koji ovise o valnoj duljini), elektron val okreće, ne međusobno se. To se događa kada je na izricanju „glava” elektrona vala na svojim „rep” highs podudaraju s maksimuma i minimuma - minimuma. To objašnjava kvantizacije energije atoma, koja je, prisustvo dobro definiranim putanja u kojima mogu postojati elektron.

Sferični nanokon u vakuumu

Međutim, stvarni sustavi su nevjerojatno složen. Poslušnost logika je gore opisano mogu se dalje razumjeti elektron sustav kruži vodika i helija. Međutim, od tada je potrebna, a složene izračune. Da biste saznali kako razumjeti moderni studenti uče kvantizacije energije čestice u potencijalnog izvora. Za početak, odaberite idealnu formu jamu i jednog elektrona model. Kako bi riješio ove Schrödinger jednadžbe su energetske razine na kojoj se elektron može biti. Nakon učenja tražiti ovisnosti, uvođenje više varijabli: širina i dubina bušotine, energija i frekvencija elektrona gubi određenost, dodajući složenosti jednadžbi. Daljnji oblik jama mijenja (npr, postaje trg ili nazubljenog profil, rubovi izgubiti svoju simetriju), uzima se hipotetske elementarne čestice sa željenim karakteristikama. I tek tada naučiti rješavati probleme u kojima se pojavi energija zračenja kvantizacije stvarnim atoma, pa čak i više složenih sustava.

impuls zamah

Međutim, razina energije, na primjer, elektron - više ili manje jasna vrijednost. Sve, na ovaj ili onaj način, ali čini se da je veća energija središnje baterije grijanje, viša temperatura u stanu. Prema tome, kvantizacija energije još uvijek je moguće zamisliti um. Tu su i pojmovi u fizici koje imaju smisla intuitivno teško. Zamah je proizvod makro brzina na masu (ne zaboravimo da je brzina i moment od oba - vektor veličine, tj neovisan o smjeru). To je zbog impuls jasno je da je prosječna vrijednost polako leti kamen samo ostaviti modricu, ako padne u čovjeka, a potom kao mala metka, ispaljenog velikom brzinom, probija tijelo. U mikro isti puls - to je takva količina koja karakterizira odnos čestice s okolnim prostorom, kao i njegovu vlasništvu navigaciju i interakciju s drugim česticama. Potonji je direktno ovisan o energiji. Dakle, jasno je da je kvantizacija energije i količine gibanja čestice moraju biti međusobno povezani. Osim toga, stalna h, što upućuje na najmanju moguću dio fizikalne pojave i pokazuje diskretnih vrijednosti uključeni u formuli i energije i gibanja čestica u nanoworld. No, tu je koncept još daleko od intuitivnog svijesti - zamah. To se odnosi na rotirajućih tijela i sredstva kakva masa i rotirajući kutne brzine. Podsjetimo, kutna brzina pokazuje magnitudu rotacije po jedinici vremena. Kutni moment je također u mogućnosti prijaviti metoda raspodjele okretnog tijela tvari: objekt s istom masom, ali centriran oko osi rotacije ili na periferiji će imati različite kutni moment. Kao što je čitatelj vjerojatno već pogađate, u atomskom svijetu je energija kvantizacije kutnog momenta.

Quantum i laser

Utjecaj otvaranja diskretne energije i drugih količinama očite. Detaljna studija o svijetu je samo moguće zahvaljujući visinu. Suvremene metode proučavanja materijala, korištenje različitih materijala, pa čak i znanost ih stvoriti - prirodni produžetak razumijevanje što energetskog kvantizacija. Princip rada i korištenje lasera - nije iznimka. Općenito, laser se sastoji od tri osnovna elementa: radne tekućine, te reflektora pumpa ogledalo. Radni fluid je izabrao, tako da postoje dva relativno blizu razini elektrona. Najvažniji kriterij za tih razina je životni vijek elektrona na njima. To je koliko je elektron je u mogućnosti da opstane u određenom stanju prije nego ići u nižu i stabilan položaj. Od dvije razine trebaju biti dugovječna gornji. Zatim pumpanje (često - standardna žarulja, ponekad - infracrveni) daje elektroni imaju dovoljno energije da ih sve okupili na gornjoj razini energije i tamo nakupila. To se zove razine stanovništva inverzija. Nadalje, neki jedan elektron seli u niži i stabilnom stanju uz emisiju fotona, uzrokujući poremećaje u dolje elektrona. Značajka ovog procesa je da su svi fotoni su tako dobiveni imaju istu valnu duljinu i koherentan. Međutim, radni fluid je obično dovoljno velik, a to generira tokove usmjerene u različitim smjerovima. Uloga reflektora ogledalo je filtrirati samo one struje od fotona, koji imaju isti smjer. Kao rezultat toga, izlaz je uska intenzivan snop koherentne valove na istoj valnoj duljini. U početku, to je mislio moguće samo u obliku krutine. Prvi laser je Boule kao radni fluid. Zatim, tu su laseri svih vrsta i tipova - tekućine, plin, pa čak i kemijske reakcije. Kao što čitatelj može vidjeti, glavna uloga u tom procesu igraju apsorpcije i emisije svjetla u atomu. kvantizacija energije u ovom slučaju je samo osnova za opis teorije.

Svjetlo i elektron

Prisjetiti da prijelaz elektrona u atomom iz jedne orbite u drugu popraćen ili emisije ili apsorpcije energije. Ta energija se pojavljuje kao fotona svjetlosti, ili fotona. Formalno, fotona je čestica, ali s druge stanovnike nanoworld je različit. Foton nema masu, ali ima zamah. On je to dokazao još Ruski znanstvenik Lebedev 1899., jasno pokazuje pritisak svjetlosti. Foton postoji samo u pokretu i njegova brzina je brzina svjetlosti. Ovo je najbrži moguće u našem svemiru objekt. Brzina svjetlosti (obično označeno malom latinskom „c”) je oko 300.000 km u sekundi. Na primjer, veličina naše galaksije (ne jako velik prostor standardima) je oko sto tisuća svjetlosnih godina. Suočeni sa situacijom, foton mu daje svoju moć u potpunosti, kao da je otopljen u tome. Foton energija, koja se oslobađa ili apsorbira u prijelazu iz jednog elektrona orbite u drugu ovisi o udaljenosti između putanja. Ako je mala - ističe infracrvene zrake s niskim energije, ako je velika - dobiti ultraljubičaste.

X-zrake i gama zrake

Elektromagnetski područje nakon UV obuhvaća rendgenski i gama zračenja. Općenito su valna duljina, frekvencija i energija se preklapaju u prilično širokom rasponu. To je, postoji fotona X-zraka s valnom duljinom od 5 picometers i gama fotona iste valne duljine. Oni se razlikuju samo u načinu pripreme. Rendgenski događa u prisutnosti vrlo brzo elektrona i gama zračenje se dobiva samo u procesima dezintegracije i stapanja jezgri. X-zrake podijeljena je u blagom (uz pomoć prozirnih ljudskih pluća i kosti) i teško (obično potrebno samo za industrijske ili istraživačke svrhe). Ako vrlo snažno ubrzava elektrone, a zatim naglo usporiti (npr slanje solidan), to će zračiti fotona X-zraka. U sudarima ovih elektrona s tvari ciljnih atoma, elektroni izvuče iz donje ljuske. Elektroni gornje ljuske zauzmu svoje mjesto, prijelaz se također emitiraju X-zrake.

Gama zrake se javljaju u drugim slučajevima. Jezgre atoma, iako se sastoje od mnogo elementarnih čestica, karakteriziraju male veličine, i stoga, oni imaju tendenciju da se energetski kvantizacija. Prijelaz nukleusa pobuđenom stanju na nižu, desno, i uz emisiju gama zraka. Bilo kolaps reakcije ili nuklearne fuzije odvija, uključujući pojavu gama fotona.

nuklearna

Nešto ranije, spomenuli smo da atomske jezgre su također podliježu zakonima kvantnom svijetu. No, tu su tvari prirodno pojavljuje, kao velike jezgre, oni postaju nestabilni. Oni imaju tendenciju da se razbiti u sve manje i manje osjetljivih komponenti. To, kao čitatelj vjerojatno pogađate, su, na primjer, plutonija i urana. Kada je naš planet nastaje iz protoplanetnog diska, postojala je određena količina radioaktivnih tvari. Budući da istrunuo s vremenom pretvara u druge kemijske elemente. Ipak, da je preživio brojne nondecayed urana, a njegova količina može biti suđeni, na primjer, u dobi od Zemlje. Kod kemijskih elemenata koji imaju prirodnu radioaktivnost, postoji takva osobina kao vrijeme poluraspada. To je vremensko razdoblje za koje će se prepoloviti preostali broj atoma ove vrste. Poluživot plutonija, na primjer, tu je dvadeset i četiri tisuće godina. Međutim, osim prirodne radioaktivnosti, tu je također prisiljen. Ako bombardirati teške alfa čestica ili neutronska svjetlo atomske jezgre su pukotine. U ovom slučaju postoje tri vrste ionizirajućeg zračenja: alfa čestica, beta čestice, gama zrakama. Beta raspad jezgre dovodi do promjene naboja jedinici. Alfa čestice uzeti nukleusa dva pozitrone. Gama zračenje nema naboj i elektromagnetsko polje nije skrenut, ali ima najveću sposobnost prodiranja. kvantizacija energije javlja se u svim slučajevima, jezgru.

Rat i mir

Laseri, X-zrake, studija krutih tvari i zvijezde - svi miroljubivu primjenu znanja o kvanta. Međutim, naš svijet je pun prijetnje, i svatko želi zaštititi sebe. Znanost služi u vojne svrhe previše. Na čak straže staviti na svijet čisto teorijski fenomen kao energetski kvantizacija. Određene diskretna bilo zračenja, na primjer, bili su temelj nuklearnog oružja. Naravno, njezine primjene obračunati borbene jedinice - vjerojatno čitatelj će se sjetiti Hirošimu i Nagasaki. Svi ostali razlozi, pritisnite crveni gumb njeguju to je više-manje mirno. Kao što je uvijek pitanje radioaktivnog onečišćenja okoliša. Na primjer, vrijeme poluraspada plutonija gore navedenog čini krajolik u kojem se taj element dobiva neprikladno za uporabu za jako dugo vremena, gotovo geološke epohe.

Vode i žice

Vratimo se na mirno korištenje nuklearne reakcije. To, naravno, govorimo o proizvodnji električne energije pomoću nuklearne fisije. Ovaj proces izgleda ovako:

Jezgra reaktora u početku kao slobodnih neutrona i zatim se hit radioaktivnog elementa (tipično uran izotop), koja se podvrgava alfa ili beta propadanje.

Za ovu reakciju nije prošla u stupnju nekontroliranog reaktor jezgra sadrži tzv usporivača. U pravilu, to je napravio grafitnih šipki, koje su vrlo dobro upijaju neutrone. Podešavanjem svoju duljinu, moguće je pratiti brzinu reakcije.

Kao rezultat toga, jedan element pretvara u drugu, nevjerojatnu količinu energije izdana. Ta energija se apsorbira u spremnik ispunjen sa tzv teške vode (umjesto vodika deuterij molekula). Kao rezultat kontakta s reaktorske jezgre koja voda jako onečišćene proizvode od radioaktivnog raspada. To recikliranje ova voda je najveći problem nuklearne energije u ovom trenutku.

U prvom krugu se nalazi voda druga u drugom - treći. Voda u trećem krugu već je siguran za korištenje, a da se okreće turbinu, koja proizvodi električnu energiju.

Unatoč takvom velikog broja posrednika između energije objavljenom neposredno jezgri i krajnjeg korisnika (nemojmo zaboraviti desetaka kilometara žica, koja je također gubitak snage), ova reakcija daje nevjerojatnu snagu. Na primjer, nuklearna elektrana može napajati električnom energijom na cijelom području s različitim industrijama.