Ky artikull flet se çfarë është kuantizimi i energjisë dhe çfarë rëndësie ka ky fenomen për shkencën moderne. Jepet historia e zbulimit të diskretitetit të energjisë, si dhe fushat e zbatimit të kuantizimit të atomeve.
Fundi i fizikës
Në fund të shekullit të nëntëmbëdhjetë, shkencëtarët u përballën me një dilemë: në nivelin e atëhershëm të zhvillimit të teknologjisë, të gjitha ligjet e mundshme të fizikës u zbuluan, u përshkruan dhe u studiuan. Nxënësit që kishin aftësi shumë të zhvilluara në fushën e shkencave të natyrës nuk u këshilluan nga mësuesit të zgjidhnin fizikën. Ata besonin se nuk ishte më e mundur të bëhesh i famshëm në të, kishte vetëm punë rutinë për të studiuar detaje të vogla të vogla. Kjo ishte më e përshtatshme për një person të vëmendshëm, sesa për një të talentuar. Megjithatë, fotografia, e cila ishte më shumë një zbulim argëtues, dha arsye për të menduar. Gjithçka filloi me mospërputhje të thjeshta. Për të filluar, doli që drita nuk ishte plotësisht e vazhdueshme: në kushte të caktuara, hidrogjeni i djegur la një seri vijash në pllakën fotografike në vend të një njolle të vetme. Më tej doli se spektrat e heliumit kishinmë shumë linja se spektri i hidrogjenit. Më pas u zbulua se gjurmët e disa yjeve janë të ndryshme nga të tjerët. Dhe kurioziteti i pastër i detyroi studiuesit të vendosnin manualisht njëra pas tjetrës përvoja në kërkim të përgjigjeve të pyetjeve. Ata nuk menduan për zbatimin komercial të zbulimeve të tyre.
Planku dhe kuanti
Për fatin tonë, ky zbulim në fizikë u shoqërua me zhvillimin e matematikës. Sepse shpjegimi i asaj që po ndodhte përshtatej në formula tepër komplekse. Në vitin 1900, Max Planck, duke punuar në teorinë e rrezatimit të trupit të zi, zbuloi se energjia është e kuantizuar. Përshkruani shkurtimisht kuptimin e kësaj deklarate është mjaft e thjeshtë. Çdo grimcë elementare mund të jetë vetëm në disa gjendje specifike. Nëse japim një model të përafërt, atëherë numëruesi i gjendjeve të tilla mund të tregojë numrat 1, 3, 8, 13, 29, 138. Dhe të gjitha vlerat e tjera midis tyre janë të paarritshme. Arsyet për këtë do t'i zbulojmë pak më vonë. Megjithatë, nëse thelloheni në historinë e këtij zbulimi, vlen të përmendet se vetë shkencëtari, deri në fund të jetës së tij, e konsideroi kuantizimin e energjisë si vetëm një truk të përshtatshëm matematikor, jo të pajisur me kuptim serioz fizik.
Valja dhe masa
Fillimi i shekullit të njëzetë ishte plot me zbulime në lidhje me botën e grimcave elementare. Por misteri i madh ishte paradoksi i mëposhtëm: në disa raste, grimcat silleshin si objekte me masë (dhe, në përputhje me rrethanat, vrull), dhe në disa raste, si një valë. Pas një debati të gjatë dhe kokëfortë, më duhej të arrija në një përfundim të pabesueshëm: elektronet, protonet dheneutronet i kanë këto veti në të njëjtën kohë. Ky fenomen u quajt dualizëm me valë korpuskulare (në fjalimin e shkencëtarëve rusë dyqind vjet më parë, një grimcë quhej trup). Kështu, një elektron është një masë e caktuar, sikur të lyhet në një valë me një frekuencë të caktuar. Një elektron që rrotullohet rreth bërthamës së një atomi i mbivendos pafundësisht valët e tij njëra mbi tjetrën. Rrjedhimisht, vetëm në distanca të caktuara nga qendra (që varen nga gjatësia e valës) valët elektronike, duke u rrotulluar, nuk anulojnë njëra-tjetrën. Kjo ndodh kur, kur "koka" e një elektroni valor mbivendoset në "bishtin" e tij, maksimumi përputhet me maksimumin, dhe minima përputhet me minimumin. Kjo shpjegon kuantizimin e energjisë së një atomi, domethënë praninë e orbitave të përcaktuara rreptësisht në të, në të cilat mund të ekzistojë një elektron.
Nanokalë sferik në vakum
Megjithatë, sistemet reale janë tepër komplekse. Duke iu bindur logjikës së përshkruar më sipër, ende mund të kuptohet sistemi i orbitave të elektroneve në hidrogjen dhe helium. Megjithatë, tashmë kërkohen llogaritje të mëtejshme komplekse. Për të mësuar se si t'i kuptojnë ato, studentët modernë studiojnë kuantizimin e energjisë së grimcave në një pus potencial. Për të filluar, zgjidhet një pus me formë ideale dhe një elektron i vetëm model. Për ta, ata zgjidhin ekuacionin e Shrodingerit, gjejnë nivelet e energjisë në të cilat mund të jetë elektroni. Pas kësaj, ata mësojnë të kërkojnë varësi duke futur gjithnjë e më shumë variabla: gjerësia dhe thellësia e pusit, energjia dhe frekuenca e elektronit humbasin sigurinë e tyre, duke shtuar kompleksitetin në ekuacione. Me tutjeforma e gropës ndryshon (për shembull, ajo bëhet katrore ose e dhëmbëzuar në profil, skajet e saj humbasin simetrinë e tyre), merren grimca elementare hipotetike me karakteristika të specifikuara. Dhe vetëm atëherë ata mësojnë të zgjidhin probleme që përfshijnë kuantizimin e energjisë së rrezatimit të atomeve reale dhe sistemeve edhe më komplekse.
Momenti, momenti këndor
Megjithatë, niveli i energjisë i, të themi, një elektroni është një sasi pak a shumë e kuptueshme. Në një mënyrë apo tjetër, të gjithë imagjinojnë se energjia më e lartë e baterive të ngrohjes qendrore korrespondon me një temperaturë më të lartë në apartament. Prandaj, kuantizimi i energjisë ende mund të imagjinohet në mënyrë spekulative. Ka edhe koncepte në fizikë që janë të vështira për t'u kuptuar në mënyrë intuitive. Në makrokozmos, momenti është produkt i shpejtësisë dhe masës (mos harroni se shpejtësia, ashtu si momenti, është një sasi vektoriale, domethënë varet nga drejtimi). Është falë vrullit që është e qartë se një gur i përmasave mesatare që fluturon ngadalë do të lërë një mavijosje vetëm nëse godet një person, ndërsa një plumb i vogël i shkrepur me shpejtësi të madhe do ta shpojë trupin brenda dhe brenda. Në mikrokozmos, momenti është një sasi e tillë që karakterizon lidhjen e një grimce me hapësirën përreth, si dhe aftësinë e saj për të lëvizur dhe ndërvepruar me grimcat e tjera. Kjo e fundit varet drejtpërdrejt nga energjia. Kështu, bëhet e qartë se kuantizimi i energjisë dhe momenti i një grimce duhet të jenë të ndërlidhura. Për më tepër, konstanta h, e cila tregon pjesën më të vogël të mundshme të një dukurie fizike dhe tregon diskretin e sasive, përfshihet në formulë dheenergjia dhe momenti i grimcave në nanobotë. Por ka një koncept edhe më të largët nga vetëdija intuitive - momenti i impulsit. I referohet trupave rrotullues dhe tregon se çfarë mase dhe me çfarë shpejtësie këndore rrotullohet. Kujtoni se shpejtësia këndore tregon sasinë e rrotullimit për njësi të kohës. Momenti këndor është gjithashtu në gjendje të tregojë mënyrën se si është shpërndarë substanca e një trupi rrotullues: objektet me të njëjtën masë, por të përqendruar pranë boshtit të rrotullimit ose në periferi, do të kenë një moment këndor të ndryshëm. Siç ndoshta lexuesi tashmë e merr me mend, në botën e atomit, energjia e momentit këndor është e kuantizuar.
Kuantike dhe lazer
Ndikimi i zbulimit të diskretitetit të energjisë dhe sasive të tjera është i dukshëm. Një studim i detajuar i botës është i mundur vetëm falë kuantit. Metodat moderne të studimit të materies, përdorimi i materialeve të ndryshme, madje edhe shkenca e krijimit të tyre janë një vazhdim i natyrshëm i të kuptuarit se çfarë është kuantizimi i energjisë. Parimi i funksionimit dhe përdorimi i një lazeri nuk bën përjashtim. Në përgjithësi, lazeri përbëhet nga tre elementë kryesorë: lëngu i punës, pasqyra pompuese dhe reflektuese. Lëngu i punës zgjidhet në atë mënyrë që të ekzistojnë dy nivele relativisht të afërta për elektronet. Kriteri më i rëndësishëm për këto nivele është jetëgjatësia e elektroneve në to. Kjo do të thotë, për sa kohë një elektron është në gjendje të qëndrojë në një gjendje të caktuar përpara se të lëvizë në një pozicion më të ulët dhe më të qëndrueshëm. Nga dy nivelet, ai i sipërm duhet të jetë më i gjatë. Pastaj pompimi (shpesh me një llambë konvencionale, ndonjëherë me një llambë infra të kuqe) jep elektronetenergji të mjaftueshme që të gjithë të mblidhen në nivelin më të lartë të energjisë dhe të grumbullohen atje. Kjo quhet popullatë e nivelit të kundërt. Më tej, një elektron kalon në një gjendje më të ulët dhe më të qëndrueshme me emetimin e një fotoni, i cili shkakton një ndarje të të gjitha elektroneve në rënie. E veçanta e këtij procesi është se të gjithë fotonet që rezultojnë kanë të njëjtën gjatësi vale dhe janë koherente. Sidoqoftë, trupi i punës, si rregull, është mjaft i madh, dhe në të krijohen flukse, të drejtuara në drejtime të ndryshme. Roli i pasqyrës reflektuese është të filtrojë vetëm ato rryma fotonike që drejtohen në një drejtim. Si rezultat, dalja është një rreze e ngushtë intensive e valëve koherente me të njëjtën gjatësi vale. Në fillim, kjo u konsiderua e mundur vetëm në një gjendje solide. Lazeri i parë kishte një rubin artificial si një mjet pune. Tani ka lazer të të gjitha llojeve dhe llojeve - në lëngje, gazra dhe madje edhe në reaksione kimike. Siç e sheh lexuesi, rolin kryesor në këtë proces e luan përthithja dhe emetimi i dritës nga atomi. Në këtë rast, kuantizimi i energjisë është vetëm baza për përshkrimin e teorisë.
Drita dhe elektroni
Kujtoni se kalimi i një elektroni në një atom nga një orbitë në tjetrën shoqërohet ose nga emetimi ose nga thithja e energjisë. Kjo energji shfaqet në formën e një kuantike drite ose një fotoni. Formalisht, një foton është një grimcë, por ndryshon nga banorët e tjerë të nanobotës. Një foton nuk ka masë, por ka moment. Kjo u vërtetua nga shkencëtari rus Lebedev në 1899, duke demonstruar qartë presionin e dritës. Një foton ekziston vetëm në lëvizje dhe shpejtësinë e tije barabartë me shpejtësinë e dritës. Është objekti më i shpejtë i mundshëm në universin tonë. Shpejtësia e dritës (e shënuar në mënyrë standarde me latinishten e vogël "c") është rreth treqind mijë kilometra në sekondë. Për shembull, madhësia e galaktikës sonë (jo më e madhja në aspektin hapësinor) është rreth njëqind mijë vjet dritë. Duke u përplasur me materien, fotoni i jep plotësisht energjinë e tij, sikur në këtë rast të tretet. Energjia e një fotoni që lirohet ose absorbohet kur një elektron lëviz nga një orbitë në tjetrën varet nga distanca midis orbitave. Nëse është i vogël, lëshohet rrezatim infra të kuq me energji të ulët, nëse është i madh, merret ultravjollcë.
Rrezatimi me rreze X dhe gama
Shkalla elektromagnetike pas rrezeve ultravjollcë përmban rreze X dhe rrezatim gama. Në përgjithësi, ato mbivendosen në gjatësi vale, frekuencë dhe energji në një gamë mjaft të gjerë. Kjo do të thotë, ekziston një foton me rreze X me një gjatësi vale prej 5 pikometra dhe një foton gama me të njëjtën gjatësi vale. Ato ndryshojnë vetëm në mënyrën se si priten. Rrezet X ndodhin në prani të elektroneve shumë të shpejta, dhe rrezatimi gama merret vetëm në proceset e kalbjes dhe shkrirjes së bërthamave atomike. Rrezet X ndahen në të buta (që e përdorin për të treguar përmes mushkërive dhe kockave të një personi) dhe të fortë (zakonisht nevojiten vetëm për qëllime industriale ose kërkimore). Nëse e përshpejtoni elektronin shumë fuqishëm, dhe më pas e ngadalësoni ndjeshëm (për shembull, duke e drejtuar në një trup të ngurtë), atëherë ai do të lëshojë fotone me rreze X. Kur elektrone të tilla përplasen me lëndën, atomet e synuara shpërthejnëelektronet nga shtresat e poshtme. Në këtë rast, elektronet e shtresës së sipërme zënë vendin e tyre, duke lëshuar gjithashtu rreze X gjatë tranzicionit.
Gama kuantet ndodhin në raste të tjera. Bërthamat e atomeve, megjithëse përbëhen nga shumë grimca elementare, janë gjithashtu të vogla në madhësi, që do të thotë se ato karakterizohen nga kuantizimi i energjisë. Kalimi i bërthamave nga një gjendje e ngacmuar në një gjendje më të ulët shoqërohet pikërisht me emetimin e rrezeve gama. Çdo reagim i prishjes ose shkrirjes së bërthamave vazhdon, duke përfshirë shfaqjen e fotoneve gama.
Reaksioni nuklear
Pak më lart përmendëm se bërthamat atomike gjithashtu u binden ligjeve të botës kuantike. Por ka substanca në natyrë me bërthama kaq të mëdha saqë ato bëhen të paqëndrueshme. Ata priren të ndahen në komponentë më të vegjël dhe më të qëndrueshëm. Këto, siç lexuesi ndoshta tashmë e merr me mend, përfshijnë, për shembull, plutonium dhe uranium. Kur planeti ynë u formua nga një disk protoplanetar, ai kishte një sasi të caktuar të substancave radioaktive në të. Me kalimin e kohës, ato u prishën, duke u shndërruar në elementë të tjerë kimikë. Por prapëseprapë, një sasi e caktuar e uraniumit të pa kalbur ka mbijetuar deri më sot, dhe sipas sasisë së tij mund të gjykohet, për shembull, mosha e Tokës. Për elementët kimikë që kanë radioaktivitet natyror, ekziston një karakteristikë e tillë si gjysma e jetës. Kjo është periudha kohore gjatë së cilës numri i atomeve të mbetura të këtij lloji do të përgjysmohet. Gjysma e jetës së plutoniumit, për shembull, ndodh në njëzet e katër mijë vjet. Megjithatë, përveç radioaktivitetit natyror, ka edhe të detyruar. Kur bombardohen me grimca të rënda alfa ose neutrone të lehta, bërthamat e atomeve shpërbëhen. Në këtë rast, dallohen tre lloje të rrezatimit jonizues: grimcat alfa, grimcat beta, rrezet gama. Prishja beta bën që ngarkesa bërthamore të ndryshojë me një. Grimcat alfa marrin dy pozitrone nga bërthama. Rrezatimi gama nuk ka ngarkesë dhe nuk devijohet nga një fushë elektromagnetike, por ka fuqinë më të lartë depërtuese. Kuantizimi i energjisë ndodh në të gjitha rastet e kalbjes bërthamore.
Lufta dhe Paqja
Lazerët, rrezet x, studimi i trupave të ngurtë dhe yjeve - të gjitha këto janë aplikime paqësore të njohurive rreth kuanteve. Megjithatë, bota jonë është e mbushur me kërcënime dhe secili kërkon të mbrojë veten. Shkenca i shërben edhe qëllimeve ushtarake. Edhe një fenomen i tillë thjesht teorik si kuantizimi i energjisë është vënë në roje të botës. Përcaktimi i diskretitetit të çdo rrezatimi, për shembull, formoi bazën e armëve bërthamore. Sigurisht, ka vetëm disa nga aplikacionet e tij luftarake - lexuesi me siguri kujton Hiroshima dhe Nagasaki. Të gjitha arsyet e tjera për të shtypur butonin e kuq të lakmuar ishin pak a shumë paqësore. Gjithashtu, gjithmonë ekziston çështja e ndotjes radioaktive të mjedisit. Për shembull, gjysma e jetës së plutoniumit, e treguar më sipër, e bën peizazhin në të cilin ky element hyn të papërdorshëm për një kohë shumë të gjatë, pothuajse një epokë gjeologjike.
Uji dhe telat
Le të kthehemi te përdorimi paqësor i reaksioneve bërthamore. Ne po flasim, natyrisht, për gjenerimin e energjisë elektrike nga ndarja bërthamore. Procesi duket si ky:
Në thelbNë reaktor, fillimisht shfaqen neutronet e lira dhe më pas godasin një element radioaktiv (zakonisht një izotop uraniumi), i cili i nënshtrohet kalbjes alfa ose beta.
Për të parandaluar që ky reagim të kalojë në një fazë të pakontrolluar, bërthama e reaktorit përmban të ashtuquajturit moderatorë. Si rregull, këto janë shufra grafiti, të cilët thithin shumë mirë neutronet. Duke rregulluar gjatësinë e tyre, mund të monitoroni shkallën e reagimit.
Si rezultat, një element shndërrohet në një tjetër dhe çlirohet një sasi e jashtëzakonshme energjie. Kjo energji absorbohet nga një enë e mbushur me të ashtuquajturin ujë të rëndë (në vend të hidrogjenit në molekulat e deuteriumit). Si rezultat i kontaktit me bërthamën e reaktorit, ky ujë është shumë i ndotur me produkte të kalbjes radioaktive. Pikërisht asgjësimi i këtij uji është problemi më i madh i energjisë bërthamore për momentin.
I dyti vendoset në qarkun e parë ujor, i treti vendoset në të dytin. Uji i qarkut të tretë është tashmë i sigurt për t'u përdorur dhe është ajo që kthen turbinën, e cila prodhon energji elektrike.
Megjithë një numër kaq të madh ndërmjetësuesish midis bërthamave që gjenerojnë drejtpërdrejt dhe konsumatorit përfundimtar (të mos harrojmë dhjetëra kilometra tela që humbasin gjithashtu fuqinë), ky reagim ofron fuqi të jashtëzakonshme. Për shembull, një termocentral bërthamor mund të furnizojë me energji elektrike një zonë të tërë me shumë industri.
