Kvantovanie energie elektrónu v atóme. Spôsob výroby energie v reaktore pomalými neutrónmi

Tento článok hovorí o tom, čo kvantování energie a význam tohto javu je modernej vedy. Ukazuje históriu objavu diskrétnosti energie, a tiež preukázal rozsah kvantovaných atómov.

koniec fyziky

Na konci devätnásteho storočia, dilema vedcov: vtedajší súčasnú úroveň technológie, všetky možné fyzikálne zákony boli objavené, je popísané a študoval. Študenti, ktorí mali vysoko vyvinuté schopnosti v prírodných vedách, učiteľ neodporúča voliť fyziku. Oni verili, že oslávil už nie je možné, tam bola len rutinnú prácu pre štúdium malých drobných detailov. Je vhodnejšie opatrný človek, nie nadaný. Tento obrázok sa však, že je oveľa zábavnejšie bol objav dal príležitosť k zamysleniu. Všetko to začalo s jednoduchým rozporov. Po prvé, sa ukázalo, že svetlo je nie celkom pevnej látky za určitých podmienok, spaľovanie vodíka vľavo na štítku s poznávacou značkou riadkov miesto iba na jednom mieste. Ďalej bolo zistené, že spektra hélia mal viac liniek než vodík spektier. Potom sa zistilo, že cesta z jednej hviezdy sa líši od ostatných. A čistý zvedavosť nútený vedci ručne dať jednu skúsenosť za sebou pri hľadaní odpovedí na otázky. Na komerčné využitie ich objavov, ktoré doteraz nenapadlo.

Planck a kvantová

Našťastie pre nás, tento prielom vo fyzike bol sprevádzaný rozvojom matematiky. Vzhľadom k tomu, vysvetlenie toho, čo sa deje zapadajú do neuveriteľne zložité vzorce. V roku 1900, Maks Plank, pracoval na teórii žiarenia absolútne čierneho telesa, zistili, že energia je quantized. Stručne nám hovoria o význame tohto tvrdenia je pomerne jednoduchý. Akýkoľvek elementárne častice môžu byť iba v niektorých špecifických podmienkach. Ak spôsobujú hrubý model čítač môže zobraziť také stavy 1, 3, 8, 13, 29, 138. Všetky ostatné hodnoty nie sú k dispozícii, medzi nimi. Dôvody pre toto budeme odhalí neskôr. Avšak, ak sa ponoríte do príbehu o tomto objave, je potrebné poznamenať, že vedec považovaný za energie kvantování do konca života je len pohodlné matematický trik, nie je obdarený vážne fyzickom zmysle.

Wave a hmotnosť

Na začiatku dvadsiateho storočia bol presýtený objavy súvisiace s svet elementárnych častíc. Ale najväčší záhadou je nasledujúci paradox: v niektorých prípadoch, častice sa správajú ako objekty s hmotnosťou (a teda hybnosti), a niektoré z nich - ako vlna. Po dlhej a trvalé spory došiel k záveru, nepravdepodobné: elektróny, protóny a neutróny majú tieto vlastnosti súčasne. Tento jav sa nazýva vlna-dualita čiastočky (v reči ruských vedcov pred dvesto rokmi teliesko s názvom častíc). Tak, elektrón je určitá hmotnosť, ako to bolo rozmazané vlnou určitej frekvencii. Elektronický ktorý sa otáča okolo atómového jadra, plynule ukladá vlny na seba. V dôsledku toho, len v určitých vzdialenostiach od stredu (ktorý závisí na vlnovej dĺžke), elektrónové vlna rotuje, nie sú navzájom rušia. K tomu dochádza, keď sa uloženie "hlavu" elektrónového vlny na jeho "chvost" výšok sa zhodujú s maxím a miním - minima. To vysvetľuje kvantování energie atómu, ktorý je, v ktorom môže byť prítomnosť dobre definovaných dráhach elektrónov.

Sférické nanokon vo vákuu

Avšak reálne systémy sú neuveriteľne zložité. Dodržiavanie logiku popísaný vyššie, môže byť ďalej pochopený systém elektrónové obieha na vodík a hélium. Avšak, od tej doby potrebuje skôr zložitých výpočtov. Ak sa chcete dozvedieť, ako chápať moderné študenti učia kvantování energie častice v potenciálovej jame. Ak chcete začať, vyberte si ideálny tvar jamy a jedného modelu elektrónov. Na vyriešenie týchto Schrödinger rovnice sú energetickej hladiny, pri ktorom sa elektrón môže byť. Potom, čo sa učí pozerať sa závislosťou, zavedenie viac premenných: šírke a hĺbke vrtu, energie a frekvencia elektrónu stráca určitosť, zvyšovanie zložitosti rovníc. Ďalej tvar jama sa zmení (napr., Je štvorcový alebo ozubený profil, okraje stratí svoju symetria), sa vyberie hypotetické elementárne častice s požadovanými vlastnosťami. A až potom sa naučiť riešiť problémy, v ktorých sa žiarivej energie kvantování reálnych atómov a ešte zložitejšie systémy.

Impulse hybnosť

Avšak úroveň energie, napríklad elektrón - je viac či menej jasný hodnotu. Všetko v jednej ceste alebo iný, ale zdá sa, že čím vyššia je energia ústredného vykurovania batérie, čím vyššia je teplota v byte. V súlade s tým, kvantování energie je stále ešte možné predstaviť si myseľ. Tam sú tiež znalosti fyziky, ktoré tvoria zmysel intuitívne ťažké. Hybnosť je produkt makro rýchlosť k zemi (zabúdať, že rýchlosť a hybnosť oboch - vektorové veličiny, tj. Nezávisle na smere). Je to spôsobené tým impulz je zrejmé, že priemerná hodnota pomaly letiaci kameň nechaj modrinu, ak sa dostanú do muža, potom sa ako malá gulička, vypálil pri vysokej rýchlosti, láme do celého tela. V rovnakom mikro impulzu - to je také množstvo, ktoré charakterizuje vzťah častice s okolitým priestorom, ako aj jeho vlastnosť pohybovať a komunikovať s ostatnými časticami. Tá je priamo závislá na energii. Takže je zrejmé, že kvantování energie a hybnosti častice musia byť prepojené. Okrem toho konštanta h, čo ukazuje na najnižšiu možnú časť fyzikálneho javu a zobrazuje diskrétne hodnoty zahrnuté v zložení a energiu a hybnosť častíc v nanosvěta. Ale je tu koncept ešte vzdialenejšie od intuitívne povedomie - hybnosti. To sa odkazuje na rotujúcich telies a prostriedky, čo hmotnosť a rotujúce uhlovú rýchlosť. Pripomeňme, uhlová rýchlosť označuje veľkosť otáčania za jednotku času. Krútiaci moment je tiež schopný hlásiť metódu prideľovania rotačného telesa látky: objekty s rovnakou hmotou, ale stred okolo osi otáčania, alebo na obvode bude mať odlišnú moment hybnosti. Ako čitateľ pravdepodobne uhádli, v atómovom svete je energetická kvantovanie momentu hybnosti.

Kvantová a laserová

Vplyv otvorenia diskrétne energie a ďalších veličín z pochopiteľných. Podrobnú štúdiu na svete je možné len vďaka kvantovej. Moderné metódy štúdia materiálu, použitie rôznych materiálov a dokonca aj veda na ich vytvorenie - prirodzené rozšírenie porozumieť tomu, čo energie kvantovani. Princíp prevádzky a použitie lasera - nie je výnimkou. Všeobecne platí, že laser sa skladá z troch základných častí: pracovnej kvapaliny a čerpadlo reflektora zrkadla. Pracovná tekutina je zvolená tak, že existujú dve relatívne blízko k úrovni pre elektróny. Najdôležitejším kritériom pre tieto úrovne je životnosť elektrónov na nich. To je, ako veľmi elektrón je schopný prežiť v určitom stave, než ísť do nižšej a stabilnej polohe. Z dvoch úrovniach by mali byť viac trvanlivý hornej. Potom čerpania (často - štandardné žiarovky, niekedy - infračervené) dáva elektróny dostatočnú energiu, aby všetky z nich získané na hornej úrovni energie a akumulovaný. Tento jav sa nazýva úrovne populácie inverzie. Ďalej, niektoré jeden elektrón pohybuje na nižšej a rovnovážnom stave s emisií fotónu, čo spôsobuje narušenie dole elektrónov. Charakteristickým rysom tohto procesu je, že všetky fotóny sú takto získané majú rovnakú vlnovú dĺžku a koherentné. Avšak, pracovná tekutina je zvyčajne dostatočne veľký, a to generuje toky smerujúce do rôznych smerov. Úloha odrazového zrkadla je odfiltrovať iba tie prúdy fotónov, ktoré majú rovnaký smer. Výsledkom je, že výstup je úzky intenzívny lúč koherentných vĺn rovnakej vlnovej dĺžke. Na prvý pohľad to bola myšlienka možný iba v pevnej látke. Prvý laser bol hrče ako pracovné tekutiny. Teraz máme k dispozícii lasery všetkých druhov a typov - kvapaliny, plyn, a dokonca aj chemické reakcie. Vzhľadom k tomu, čitateľ môže vidieť, hlavnú úlohu v tomto procese zohráva absorpciu a emisiu svetla atómu. kvantování energia je v tomto prípade len základom pre popisujúce teóriu.

Ľahké a elektrón

Pripomeňme, že prechod elektrónu v atóme z jednej obežnej dráhy do druhej je sprevádzaný buď emisií alebo absorpciou energie. Táto energia sa javí ako fotón svetla, alebo fotónu. Formálne fotón je častice, ale na druhej strane obyvateľa nanosvěta je odlišná. Fotón nemá hmoty, ale má spád. On to dokázal ešte ruský vedec Lebedev v roku 1899, čo jasne ukazuje tlak svetla. Photon existuje iba v pohybe a jeho rýchlosť je rýchlosť svetla. Jedná sa o najrýchlejší v našom vesmíre objektu. Rýchlosť svetla (zvyčajne označené malým latinského "c") je asi 300.000 km za sekundu. Napríklad, veľkosť našej galaxie (nie je príliš veľká na kozmických štandardov) je asi sto tisíc svetelných rokov. Tvárou v tvár tejto záležitosti, fotón mu dáva jeho silu úplne, ako by sa rozpustí v tomto. Energia fotónu, ktorý sa uvoľňuje alebo absorbuje v prechode elektrónu z jednej obežnej dráhy do druhej, závisí od vzdialenosti medzi obežnými dráhami. Ak je malá - vyniká infračervené lúče s nízkou energiou, ak veľké - dostať ultrafialové.

Röntgenové lúče a lúče gama

Elektromagnetické rozsah po ultrafialové zahŕňa röntgenové a gama žiarenia. Všeobecne sú vlnová dĺžka, frekvencia a energia sa vzájomne presahujú v pomerne širokom rozmedzí. To znamená, že je X-ray fotón s vlnovou dĺžkou 5 pikometroch a gama fotónov o rovnakej vlnovej dĺžke. Líšia sa len v spôsobe prípravy. Röntgen sa vyskytuje v prítomnosti veľmi rýchlych elektrónov, a gama žiarenia sa dosiahne len v procesoch rozpadu a koalescenciou jadier. Röntgen je rozdelená do miernej (pomocou priesvitných ľudské pľúca a kosti) a tvrdý (zvyčajne potrebné iba na priemyselné alebo výskumné účely). V prípade veľmi silno zrýchlilo elektróny, a potom sa náhle spomaliť jeho (napr zaslaním pevná látka), bude vyžarovať röntgenové fotóny. V zrážkach týchto elektrónov s látkou cieľových atómov, elektróny sa vytiahol zo spodnej škrupiny. Elektróny hornej škrupiny svoje miesto, prechod tiež emitujúce röntgenové žiarenie.

Gama žiarenie sa vyskytujú v ostatných prípadoch. Jadrá atómov, aj napriek tomu, že sa skladajú z mnohých elementárnych častíc, sa tiež vyznačuje malými rozmermi, a preto majú sklon k energetickej kvantovani. Prechod z jadier excitovaného stavu na nižšiu, vpravo, a sprevádzaný emisií žiarenia gama. Každý kolaps reakcie alebo jadrovej fúzie prebieha, vrátane vzniku gama fotónov.

jadrová reakcia

Mierne vyššie, sme sa zmienili, že atómové jadrá sú tiež predmetom zákony kvantového sveta. Ale tam sú prirodzene sa vyskytujúce látky, ako veľká jadra, ale nestabilný. Majú tendenciu sa delia na menšie a robustných komponentov. Tie, ako sa čitateľ asi tušíte, sú, napríklad, plutónia a uránu. Keď tvoril naša planéta z protoplanetárne disk, došlo k určité množstvo rádioaktívnych látok. Vzhľadom k tomu, že v priebehu času sa rozkladal, transformované do iných chemických prvkov. Zatiaľ k prežili niekoľko nondecayed uránu, a ich výška môže byť posudzovaná, napríklad na starobu krajiny. Pre chemické prvky, ktoré majú prirodzené rádioaktivity, sú tieto vlastnosti ako Biologický polčas. To je doba, počas ktorej bude polovicu zostávajúci počet atómov tohto druhu. Polčas rozpadu plutónia, napríklad, tam je dvadsať štyri tisíc rokmi. Avšak, okrem prirodzenej rádioaktivity, tam je tiež nútený. Ak sa bombardujú ťažké častice alfa alebo neutrónovej ľahké atómové jadrá, ktoré prasknúť. V tomto prípade existujú tri druhy ionizačného žiarenia častíc alfa, beta častice, žiarenie gama. Beta rozpad jadier vedie k zmene náboja jednotky. Alfa častice sa jadra dve pozitróny. Gama žiarenie nemá žiadny náboj a elektromagnetické polia sa neodchýli, ale má najvyššiu prenikavú moc. kvantování energie sa vyskytuje vo všetkých prípadoch, jadro.

Vojna a mier

Lasery, röntgenovým lúčom, štúdium pevných látok a hviezdy - všetky mierové aplikácie poznatkov o kvánt. Avšak, náš svet je plný nebezpečenstva, a každý chce, aby sa ochránili. Science slúži vojenské účely taky. On i strážnika dať svetu čisto teoretický fenomén ako energia kvantovani. Určité diskrétne akékoľvek žiarenie, napríklad, tvorili základ jadrových zbraní. Samozrejme, že jej využitie časovo rozlíšené bojové jednotky - pravdepodobné, že čitateľ bude pamätať Hirošimu a Nagasaki. Všetky ostatné dôvody, stlačte červené tlačidlo ochraňoval to bolo viacmenej pokojný. Ako to je vždy otázka rádioaktívnej kontaminácie životného prostredia. Napríklad polčas rozpadu plutónia vyššie uvedeného činí krajinu, v ktorej tento prvok dostáva nevhodné pre použitie na veľmi dlhú dobu, takmer geologickej epochy.

Voda a drôty

Vráťme sa k mierovému využitiu jadrovej reakcie. To samozrejme, hovoriť o výrobe elektrickej energie pomocou jadrového štiepenia. Tento proces vyzerá takto:

Jadro reaktora na začiatku ako voľné neutróny a potom narazí rádioaktívny prvok (typicky uránu), ktorá prechádza alfa alebo beta rozpad.

K tejto reakčnej neprešiel v kroku nekontrolované, jadro reaktora obsahuje takzvané retardéry. Je pravidlom, že je vyrobený z grafitových tyčí, ktoré sú veľmi dobre absorbovať neutróny. Úpravou ich dĺžky, je možné kontrolovať rýchlosť reakcie.

Výsledkom je, že jeden prvok je transformovaný do iného, neuveriteľné množstvo energie uvoľnenej. Táto energia je absorbovaná Zásobník s tzv ťažkej vody (namiesto vodíka molekuly deutéria). V dôsledku kontaktu s aktívnej zóny reaktora, aby sa voda silne znečistené produkty rádioaktívneho rozpadu. Že recyklácia táto voda je najväčším problémom jadrovej energetiky v tomto okamihu.

V prvom vodného okruhu je umiestnený druhý v druhej - tretej. Voda tretieho okruhu je už bezpečné použitie, a že otočí turbíny, ktorá vyrába elektrinu.

Napriek tak veľkému počtu sprostredkovateľov medzi energiou uvoľnenú priamo jadra a koncového používateľa (nesmieme zabudnúť na niekoľko desiatok kilometrov drôtov, ktoré tiež stratový výkon), táto reakcia dáva neuveriteľnú silu. Napríklad jadrová elektráreň môže dodávať elektrinu do celého areálu s radom priemyselných odvetví.