این مقاله در مورد چیستی کوانتیزاسیون انرژی و اهمیت این پدیده برای علم مدرن صحبت می کند. تاریخچه کشف گسستگی انرژی و همچنین زمینه های کاربرد کوانتیزه شدن اتم ها ارائه شده است.
پایان فیزیک
در پایان قرن نوزدهم، دانشمندان با یک معضل مواجه شدند: در سطح آن زمان توسعه فناوری، تمام قوانین ممکن فیزیک کشف، توصیف و مطالعه شدند. دانش آموزانی که توانایی های بسیار توسعه یافته ای در زمینه علوم طبیعی داشتند توسط معلمان برای انتخاب رشته فیزیک توصیه نمی شد. آنها معتقد بودند که دیگر نمی توان در آن مشهور شد، فقط کارهای معمولی برای مطالعه جزئیات جزئی کوچک وجود دارد. این بیشتر برای یک فرد توجه مناسب بود تا یک فرد با استعداد. با این حال، این عکس که بیشتر یک کشف سرگرم کننده بود، جای تفکر را به وجود آورد. همه چیز با تناقضات ساده شروع شد. برای شروع، معلوم شد که نور کاملاً پیوسته نیست: تحت شرایط خاص، سوختن هیدروژن به جای یک نقطه، یک سری خطوط روی صفحه عکاسی باقی می‌ماند. علاوه بر این معلوم شد که طیف هلیوم داردخطوط بیشتر از طیف هیدروژن است. سپس مشخص شد که ردپای برخی از ستاره ها با برخی دیگر متفاوت است. و کنجکاوی خالص محققان را وادار کرد تا به صورت دستی تجربیات خود را یکی پس از دیگری در جستجوی پاسخ سوالات قرار دهند. آنها به کاربرد تجاری اکتشافات خود فکر نکردند.
پلانک و کوانتوم
خوشبختانه برای ما، این پیشرفت در فیزیک با توسعه ریاضیات همراه بود. زیرا توضیح آنچه در حال رخ دادن بود در فرمول های فوق العاده پیچیده ای قرار می گرفت. در سال 1900، ماکس پلانک، با کار بر روی نظریه تابش جسم سیاه، دریافت که انرژی کوانتیزه می شود. توضیح مختصر معنای این بیانیه بسیار ساده است. هر ذره بنیادی فقط می تواند در برخی حالت های خاص باشد. اگر یک مدل تقریبی ارائه دهیم، شمارنده چنین حالت هایی می تواند اعداد 1، 3، 8، 13، 29، 138 را نشان دهد. و همه مقادیر دیگر بین آنها غیرقابل دسترسی هستند. دلایل این امر را کمی بعد بیان خواهیم کرد. با این حال، اگر در تاریخچه این کشف کاوش کنید، شایان ذکر است که خود دانشمند، تا پایان عمر، کوانتیشن انرژی را تنها یک ترفند ریاضی راحت می‌دانست که معنای فیزیکی جدی ندارد.
موج و جرم
آغاز قرن بیستم پر از اکتشافات مربوط به دنیای ذرات بنیادی بود. اما معمای بزرگ پارادوکس زیر بود: در برخی موارد، ذرات مانند اجسامی با جرم (و بر این اساس، تکانه) و در برخی موارد مانند یک موج رفتار می کردند. پس از بحث های طولانی و سرسختانه، باید به یک نتیجه باورنکردنی می رسیدم: الکترون ها، پروتون ها ونوترون ها این ویژگی ها را همزمان دارند. این پدیده دوگانه گرایی موجی جسمی نامیده شد (در گفتار دانشمندان روسی دویست سال پیش، ذره ای را جسم نامیدند). بنابراین، یک الکترون جرم معینی است که گویی به موجی با فرکانس معین آغشته شده است. الکترونی که به دور هسته یک اتم می چرخد، امواج خود را بی انتها بر روی هم قرار می دهد. در نتیجه، تنها در فواصل معینی از مرکز (که به طول موج بستگی دارد)، امواج الکترونی که در حال چرخش هستند، یکدیگر را خنثی نمی کنند. این زمانی اتفاق می‌افتد که وقتی «سر» یک الکترون موج روی «دم» آن قرار می‌گیرد، ماکزیمم با ماکزیمم منطبق می‌شود و مینیمم با مینیمم منطبق می‌شود. این کوانتیزه شدن انرژی یک اتم را توضیح می دهد، یعنی وجود مدارهای کاملاً مشخص در آن، که یک الکترون می تواند روی آن وجود داشته باشد.
نانواسب کروی در خلاء
با این حال، سیستم های واقعی فوق العاده پیچیده هستند. با پیروی از منطقی که در بالا توضیح داده شد، هنوز می توان سیستم مدارهای الکترون ها در هیدروژن و هلیوم را درک کرد. با این حال، محاسبات پیچیده بیشتری در حال حاضر مورد نیاز است. برای یادگیری نحوه درک آنها، دانش آموزان مدرن کمیت انرژی ذرات را در یک چاه پتانسیل مطالعه می کنند. برای شروع، یک چاه با شکل ایده آل و یک الکترون تک مدل انتخاب می شود. برای آنها، آنها معادله شرودینگر را حل می کنند، سطوح انرژی که الکترون می تواند در آن باشد را پیدا می کند. پس از آن، آنها یاد می گیرند که با معرفی متغیرهای بیشتر و بیشتر به دنبال وابستگی بگردند: عرض و عمق چاه، انرژی و فرکانس الکترون قطعیت خود را از دست می دهند و به معادلات پیچیدگی اضافه می کنند. به علاوهشکل گودال تغییر می کند (مثلاً مربع یا دندانه دار می شود ، لبه های آن تقارن خود را از دست می دهند) ، ذرات بنیادی فرضی با ویژگی های مشخص گرفته می شوند. و تنها پس از آن آنها یاد می گیرند که مسائلی را حل کنند که شامل کمی سازی انرژی تابش اتم های واقعی و حتی سیستم های پیچیده تر است.
ممنتوم، تکانه زاویه ای
با این حال، سطح انرژی مثلاً یک الکترون یک کمیت کم و بیش قابل درک است. به هر حال، همه تصور می کنند که انرژی بالاتر باتری های گرمایش مرکزی مربوط به دمای بالاتر در آپارتمان است. بر این اساس، کوانتیزه شدن انرژی را هنوز هم می توان به صورت حدسی تصور کرد. همچنین مفاهیمی در فیزیک وجود دارد که درک شهودی آنها دشوار است. در عالم کلان، تکانه حاصل ضرب سرعت و جرم است (فراموش نکنید که سرعت نیز مانند تکانه یک کمیت برداری است، یعنی به جهت بستگی دارد). به لطف شتاب است که واضح است که یک سنگ متوسط که به آرامی در حال پرواز است، تنها در صورت برخورد با فرد، کبودی بر جای می گذارد، در حالی که گلوله کوچکی که با سرعت زیاد شلیک می شود، بدن را سوراخ می کند. در عالم کوچک، تکانه مقداری است که ارتباط یک ذره با فضای اطراف و همچنین توانایی آن در حرکت و تعامل با ذرات دیگر را مشخص می کند. دومی مستقیماً به انرژی بستگی دارد. بنابراین، روشن می شود که کوانتیزاسیون انرژی و تکانه یک ذره باید به هم مرتبط باشند. علاوه بر این، ثابت h که نشان‌دهنده کوچک‌ترین بخش ممکن از یک پدیده فیزیکی است و گسستگی کمیت‌ها را نشان می‌دهد، در فرمول وانرژی و تکانه ذرات در نانو جهان اما مفهومی حتی دورتر از آگاهی شهودی وجود دارد - لحظه تکانه. به اجسام دوار اشاره دارد و نشان می دهد که چه جرمی و با چه سرعت زاویه ای می چرخد. به یاد بیاورید که سرعت زاویه ای میزان چرخش در واحد زمان را نشان می دهد. تکانه زاویه ای همچنین می تواند نحوه توزیع ماده یک جسم در حال چرخش را بیان کند: اجسامی با جرم یکسان، اما در نزدیکی محور چرخش یا در حاشیه متمرکز شده اند، تکانه زاویه ای متفاوتی خواهند داشت. همانطور که خواننده احتمالا قبلاً حدس می‌زند، در دنیای اتم، انرژی تکانه زاویه‌ای کوانتیزه می‌شود.
کوانتوم و لیزر
تأثیر کشف گسستگی انرژی و مقادیر دیگر آشکار است. مطالعه دقیق جهان تنها به لطف کوانتوم امکان پذیر است. روش های مدرن مطالعه ماده، استفاده از مواد مختلف و حتی علم ایجاد آنها ادامه طبیعی درک کوانتیزاسیون انرژی است. اصل کار و استفاده از لیزر نیز از این قاعده مستثنی نیست. به طور کلی لیزر از سه عنصر اصلی تشکیل شده است: سیال کار، پمپاژ و آینه بازتابی. سیال عامل به گونه ای انتخاب می شود که دو سطح نسبتا نزدیک برای الکترون ها در آن وجود داشته باشد. مهمترین معیار برای این ترازها طول عمر الکترونها بر روی آنهاست. به این معنا که یک الکترون تا چه مدت می‌تواند در یک حالت خاص قبل از حرکت به موقعیت پایین‌تر و پایدارتر، خود را نگه دارد. از دو سطح، سطح بالایی باید عمر بیشتری داشته باشد. سپس پمپاژ (اغلب با یک لامپ معمولی، گاهی اوقات با یک لامپ مادون قرمز) الکترون ها را می دهد.انرژی کافی برای همه آنها برای جمع آوری در سطح بالای انرژی و انباشته شدن در آنجا. این جمعیت سطح معکوس نامیده می شود. علاوه بر این، مقداری از یک الکترون با گسیل یک فوتون به حالت پایین‌تر و پایدارتر می‌رود که باعث شکسته شدن همه الکترونها به سمت پایین می‌شود. ویژگی این فرآیند این است که تمام فوتون های حاصل دارای طول موج یکسان و منسجم هستند. با این حال، بدنه کار، به عنوان یک قاعده، بسیار بزرگ است و جریان هایی در آن تولید می شود که در جهت های مختلف هدایت می شوند. نقش آینه بازتابنده فیلتر کردن تنها جریان های فوتونی است که در یک جهت هدایت می شوند. در نتیجه، خروجی یک پرتو شدید باریک از امواج همدوس با طول موج یکسان است. در ابتدا این امر تنها در حالت جامد امکان پذیر تلقی می شد. اولین لیزر دارای یک یاقوت مصنوعی به عنوان محیط کار بود. اکنون انواع و اقسام لیزرها وجود دارد - روی مایعات، گازها و حتی در واکنش های شیمیایی. همانطور که خواننده می بیند، نقش اصلی در این فرآیند جذب و گسیل نور توسط اتم است. در این مورد، کمی سازی انرژی تنها مبنایی برای توصیف نظریه است.
نور و الکترون
به یاد بیاورید که انتقال یک الکترون در یک اتم از یک مدار به مدار دیگر با گسیل یا جذب انرژی همراه است. این انرژی به شکل یک کوانتوم نور یا یک فوتون ظاهر می شود. به طور رسمی، فوتون یک ذره است، اما با سایر ساکنان نانو جهان متفاوت است. فوتون جرمی ندارد، اما تکانه دارد. این توسط دانشمند روسی لبدف در سال 1899 ثابت شد و به وضوح فشار نور را نشان داد. یک فوتون فقط در حرکت و سرعت آن وجود داردبرابر با سرعت نور این سریعترین جسم ممکن در جهان ماست. سرعت نور (به طور استاندارد با کلمه کوچک لاتین "c" نشان داده می شود) حدود سیصد هزار کیلومتر در ثانیه است. به عنوان مثال، اندازه کهکشان ما (که از نظر فضایی بزرگترین نیست) حدود صد هزار سال نوری است. در برخورد با ماده، فوتون انرژی خود را به طور کامل به آن می دهد، گویی در این حالت حل می شود. انرژی فوتونی که هنگام حرکت الکترون از یک مدار به مدار دیگر آزاد یا جذب می شود به فاصله بین مدارها بستگی دارد. اگر کوچک باشد، اشعه مادون قرمز با انرژی کم ساطع می شود، اگر بزرگ باشد، ماوراء بنفش به دست می آید.
اشعه ایکس و گاما
مقیاس الکترومغناطیسی بعد از اشعه ماوراء بنفش حاوی اشعه ایکس و گاما است. به طور کلی، آنها از نظر طول موج، فرکانس و انرژی در محدوده نسبتاً وسیعی همپوشانی دارند. یعنی یک فوتون پرتو ایکس با طول موج 5 پیکومتر و یک فوتون گاما با همان طول موج وجود دارد. آنها فقط در نحوه دریافت متفاوت هستند. اشعه ایکس در حضور الکترون های بسیار سریع رخ می دهد و تابش گاما تنها در فرآیندهای فروپاشی و همجوشی هسته های اتمی به دست می آید. اشعه ایکس به نرم (با استفاده از آن برای نشان دادن از طریق ریه ها و استخوان های شخص) و سخت (معمولاً فقط برای اهداف صنعتی یا تحقیقاتی مورد نیاز است) تقسیم می شود. اگر الکترون را بسیار قوی شتاب دهید، و سپس آن را به شدت کاهش دهید (مثلاً با هدایت آن به یک جسم جامد)، آنگاه فوتون های پرتو ایکس ساطع می کند. هنگامی که چنین الکترون هایی با ماده برخورد می کنند، اتم های هدف شکسته می شوندالکترون های لایه های پایین تر در این حالت، الکترون‌های لایه‌های بالایی جای خود را می‌گیرند و همچنین در طول انتقال پرتوهای ایکس ساطع می‌کنند.
کوانتای گاما در موارد دیگر رخ می دهد. هسته‌های اتم‌ها، اگرچه از ذرات بنیادی زیادی تشکیل شده‌اند، اما از نظر اندازه نیز کوچک هستند، به این معنی که با کوانتیزه شدن انرژی مشخص می‌شوند. انتقال هسته ها از حالت برانگیخته به حالت پایین دقیقاً با انتشار پرتوهای گاما همراه است. هرگونه واکنش فروپاشی یا همجوشی هسته‌ها، از جمله با ظهور فوتون‌های گاما انجام می‌شود.
واکنش هسته ای
کمی بالاتر اشاره کردیم که هسته های اتم نیز از قوانین جهان کوانتومی پیروی می کنند. اما در طبیعت موادی با هسته های آنقدر بزرگ وجود دارند که ناپایدار می شوند. آنها تمایل دارند به اجزای کوچکتر و پایدارتر تجزیه شوند. اینها، همانطور که خواننده احتمالاً قبلاً حدس زده است، برای مثال شامل پلوتونیوم و اورانیوم است. زمانی که سیاره ما از یک دیسک پیش سیاره ای تشکیل شد، مقدار مشخصی مواد رادیواکتیو در خود داشت. با گذشت زمان، آنها پوسیده شدند و به عناصر شیمیایی دیگر تبدیل شدند. اما هنوز مقدار مشخصی از اورانیوم پوسیده نشده تا به امروز باقی مانده است و با توجه به مقدار آن می توان به عنوان مثال در مورد سن زمین قضاوت کرد. برای عناصر شیمیایی که دارای رادیواکتیویته طبیعی هستند، مشخصه ای به عنوان نیمه عمر وجود دارد. این دوره زمانی است که در طی آن تعداد اتم های باقی مانده از این نوع نصف می شود. برای مثال نیمه عمر پلوتونیوم در بیست و چهار هزار سال اتفاق می افتد. با این حال، علاوه بر رادیواکتیویته طبیعی، اجباری نیز وجود دارد.هنگامی که با ذرات آلفای سنگین یا نوترون های سبک بمباران می شود، هسته اتم ها از هم می شکند. در این مورد، سه نوع پرتوهای یونیزان متمایز می شوند: ذرات آلفا، ذرات بتا، اشعه گاما. واپاشی بتا باعث می شود بار هسته ای یک بار تغییر کند. ذرات آلفا دو پوزیترون از هسته می گیرند. تابش گاما بار ندارد و توسط میدان الکترومغناطیسی منحرف نمی شود، اما دارای بالاترین قدرت نفوذ است. کوانتیزاسیون انرژی در همه موارد فروپاشی هسته ای رخ می دهد.
جنگ و صلح
لیزر، اشعه ایکس، مطالعه جامدات و ستارگان - همه اینها کاربردهای صلح آمیز دانش در مورد کوانتوم هستند. با این حال، دنیای ما پر از تهدید است و همه به دنبال محافظت از خود هستند. علم در خدمت اهداف نظامی نیز هست. حتی چنین پدیده کاملاً نظری مانند کوانتیزه شدن انرژی نیز در مراقبت از جهان قرار گرفته است. به عنوان مثال، تعریف گسستگی هر تشعشع، اساس سلاح های هسته ای را تشکیل می دهد. البته، تنها چند مورد از برنامه های رزمی آن وجود دارد - خواننده احتمالا هیروشیما و ناکازاکی را به یاد می آورد. تمام دلایل دیگر برای فشار دادن دکمه قرمز آرزو کم و بیش صلح آمیز بود. همچنین همیشه بحث آلودگی رادیواکتیو محیط زیست مطرح است. به عنوان مثال، نیمه عمر پلوتونیوم، که در بالا نشان داده شد، منظره ای را که این عنصر در آن وارد می شود، برای مدت بسیار طولانی غیرقابل استفاده می کند، تقریباً یک دوره زمین شناسی.
آب و سیم
بیایید به استفاده صلح آمیز از واکنش های هسته ای بازگردیم. البته ما در مورد تولید الکتریسیته توسط شکافت هسته ای صحبت می کنیم. روند به این شکل است:
در هستهدر راکتور، ابتدا نوترون‌های آزاد ظاهر می‌شوند و سپس به یک عنصر رادیواکتیو (معمولاً ایزوتوپ اورانیوم) برخورد می‌کنند که تحت واپاشی آلفا یا بتا قرار می‌گیرد.
برای جلوگیری از رفتن این واکنش به مرحله کنترل نشده، هسته راکتور حاوی به اصطلاح تعدیل کننده است. به عنوان یک قاعده، اینها میله های گرافیتی هستند که نوترون ها را به خوبی جذب می کنند. با تنظیم طول آنها، می توانید سرعت واکنش را کنترل کنید.
در نتیجه یک عنصر به عنصر دیگر تبدیل می شود و مقدار باورنکردنی انرژی آزاد می شود. این انرژی توسط ظرفی پر شده از آب به اصطلاح سنگین (به جای هیدروژن در مولکول های دوتریوم) جذب می شود. در نتیجه تماس با هسته راکتور، این آب به شدت با محصولات تجزیه رادیواکتیو آلوده می شود. این دفع این آب است که بزرگترین مشکل انرژی هسته ای در حال حاضر است.
دومی در مدار اول آب قرار می گیرد، سومی در مدار دوم قرار می گیرد. آب مدار سوم در حال حاضر قابل استفاده است و این اوست که توربین را می چرخاند که برق تولید می کند.
با وجود تعداد زیاد واسطه بین هسته های تولید کننده مستقیم و مصرف کننده نهایی (بیایید ده ها کیلومتر سیم را فراموش نکنیم که برق را نیز از دست می دهند)، این واکنش قدرت باورنکردنی را ارائه می دهد. به عنوان مثال، یک نیروگاه هسته‌ای می‌تواند برق کل منطقه را با صنایع متعدد تامین کند.
