Квантовање енергије електрона у атому. Поступак за производњу енергије у реактору спорим неутрона

Овај чланак говори о томе шта је квантовање енергије и значај овог феномена је да модерне науке. Показује историју открића дисцретенесс енергије, а такође показали обим куантизед атома.

Крај физике

У касном КСИКС веку, научници су суочени са дилемом: да ли онда постојећи ниво технологије, све могуће законе физике је откривено, описани и студирао. Студенти који су имали високо развијен способности у науци, наставник саветовао да не бира физика. Они су веровали да прослави више није могуће, било је само рутински посао за проучавање малих мањих детаља. То је више одговара опрезан човек, не обдарен. Међутим, слика коју је забавније је откриће дао прилику да размисли. Све је почело са једноставним недоследности. За почетак, испоставило се да је светлост није сасвим солидан: у одређеним условима, спаљивање водоника лево на број таблица линија уместо само једног места. Надаље, утврђено је да је спектри хелијума има више линија него спектрима водоника. Онда је откривено да је траг једне звезде разликује од осталих. И чисте радозналости присиљена истраживачи ручно ставити једно искуство за другом у потрази за одговорима на питања. На комерцијалној употреби њихових открића нису мислили о.

Планк и квантна

Срећом за нас, то пробој у физици је праћен развојем математике. Јер је објашњење онога што се догађа уклапа у невероватно комплексне формуле. Године 1900., Максимална Патак, ради на теорији зрачења апсолутно црног тела, утврђено је да је енергија квантизирана. Укратко рећи о значењу ове изјаве је врло једноставна. Било елементарне честице могу бити само у неким специфичним условима. Ако изазвати грубу модел, бројач може показати да таква стања 1, 3, 8, 13, 29, 138. Све остале вредности нису доступни између њих. Разлози за то ћемо открити касније. Међутим, ако зароните у причу о овом открићу, вреди напоменути да је научник сматра да је енергија квантовање краја живота је само згодан математичка трик, није обдарен озбиљним физичком смислу.

Талас и тежина

Почетак двадесетог века била препуна открића везаних за свет елементарних честица. Али највећа мистерија је следеће парадокс: у неким случајевима, честице се понашају као објекти са масом (а тиме и импулса), а неки - као талас. После дуге и упорне спорови су дошли до закључка невероватној: електрони, протони и неутрони имају ове особине истовремено. Ова појава се назива талас-честица двојност (у говору руских научника пре две стотине година крвно зрнце зове честица). Тако, електрон одређена маса, као што су премазани у таласу одређене фреквенције. Електронски који ротира око атомског језгра, бескрајно намеће таласе на један другом. Сходно томе, само у одређеним растојањима од центра (који зависе од таласне дужине) електрона таласа, ротирање, не међусобно поништавају. Ово се дешава када наметања "главу" електрона таласа на својим "реп" инто поклапају са максимума и минимума - минимума. Ово објашњава квантовање енергија атом, то јест, присуство добро дефинисани орбите у којој се електрон може да постоји.

Сферични нанокон ин вацуо

Међутим, прави системи су невероватно сложена. Поштовању логику описан горе могу бити даље разумети електрон орбита систем водоника и хелијума. Међутим, од тада је потребна прилично сложена израчунавања. Да бисте сазнали како да разумеју савремене ученици науче квантизације енергију честице у потенцијалном бунар. За почетак, изаберите идеалан облик јаме и један модел електрона. За да реше Шредингерову једначину, наћи енергетске нивое на којима електрон може бити. Након сазнања да траже зависности, увођење више варијабли: ширине и дубине бунара, енергија и учесталост електрона губи Коначност, додајући сложености једначине. Даље облик пит мења (нпр постаје квадратног или тоотхед профил, ивице губе своју симетрију), узима се хипотетичка елементарне честице са жељеним карактеристикама. Па тек онда да науче да решавају проблеме у коме се појављује блистав енергетски квантовање стварних атома и чак више сложених система.

импулс импулс

Међутим, ниво енергије, на пример, електрон - више или мање јасна вредност. Све, на овај или онај начин, али изгледа да је већа енергија батерије централног грејања, што је већа температура у стану. Сходно томе, квантовање енергија је још увек могуће замислити ум. Ту су и појмови у физици смисла интуитивно тешко. Импулс је производ макро брзину са масом (не заборавимо да је брзина и момента оба - вектор величине, тј независно од правца). То је због импулсе јасно је да је просечна вредност полако лети камен само оставити модрице, ако паднеш у човека, а затим као мали метак, испаљен при великој брзини, пробија тело. У микро истом импулса - ово је таква количина која карактерише однос честице са околни простор, као и њихову имовину навигацију и интеракцију са другим честицама. Ово последње је директно зависи од енергије. Тако, постаје јасно да је квантовање енергије и импулса честице морају да буду међусобно повезани. Штавише, константа х, што представља најнижу могућу дозу физичких феномена и приказује дискретне вредности укључене у формулу и енергије и импулса честица у Нановорлд. Али постоји концепт још далеко од интуитивног свести - замах. То се односи на ротирајуће тела и значи шта масу и ротирајући угаона брзина. Подсетимо, угаона брзина указује на величину ротације по јединици времена. Је момент такође може да пријави метод расподјеле прихода од ротирајућег тела супстанце: објекти са исте масе, али центриран око осе ротације или на периферији ће имати другачији угаони момент. Као читалац вероватно већ погодили, у атомском свету је енергија квантовање угаоног момента.

Куантум и ласер

Утицај отварање дискретне енергије и друге количине очигледно. Детаљна студија у свету је могућа само захваљујући кванта. Савремене методе проучавања материјала, коришћење различитих материјала, па чак и науке да их створи - природни наставак разумевања шта је енергија квантизације. Принцип рада и употреба ласера - није изузетак. Генерално, ласерски састоји се од три главна елемента: радни флуид пумпа и огледало рефлектор. За радни флуид је изабрана тако да постоје два релативно близу нивоа за електрона. Најважнији критеријум за тим нивоима је животни век од електрона на њих. То је колико електрон је у стању да опстану у одређеној држави пре ући у доњем и стабилне позиције. Од два нивоа треба да буду дуговечни горњи. Затим пумпање (често - стандардни сијалица, понекад - инфрацрвени) даје електрони имају довољно енергије за све њих окупило на горњем нивоу енергије и тамо картон. Ово се зове становништва нивоа инверзија. Даље, неки један електрон се сели у нижи и стабилном стању са емисијом фотона, узрокујући прекид доле електрона. Функција овог процеса је да сви фотони су тако добијене има исту таласну дужину и кохерентна. Међутим, за радни флуид је обично прилично велика, а остварио токове усмјерена у различитим правцима. Улога рефлектора огледала је да филтрира само оне токове фотона, који имају исти правац. Као резултат тога, излаз је узак интензиван сноп кохерентних таласа истој таласној дужини. У почетку, то се сматрало могуће само у чврстом облику. Први ласерски је були као радни флуид. Сада, постоје ласери свих врста и типова - течности, гас, па чак и хемијске реакције. Као што читалац може видети, главна улога у овом процесу играју апсорпцији и емисије светлости од атома. квантовање енергије у овом случају је само основа за описивање теорију.

Светлост и електрон

Подсетимо се да транзиција електрона у атому из једне орбите у другу прати или емисији или апсорпције енергије. Ова енергија се појављује као фотона светлости, или фотона. Формално, фотон је честица, али на другим становницима Нановорлд је другачија. Фотон нема масу, али има импулс. Он је доказао још Руски научник Лебедева 1899. године, јасно показује притисак светлости. Фотон постоји само у кретању и његова брзина је брзина светлости. Ово је најбржи могући у нашем универзуму објекту. Брзина светлости (обично означена малом латинског "ц") је око три стотине хиљада километара у секунди. На пример, величина наше галаксије (не баш велик простор стандардима) је око сто хиљада светлосних година. Суочени са ствар, фотон и да му моћ у потпуности, као да је растворен у ово. Фотона енергије, која се ослобађа или апсорбује у транзицији електрона из једне орбите у другу зависи од удаљености између орбита. Ако је мали - истиче инфрацрвене зраке са ниском енергијом, ако велика - да Ултравиолет.

Кс-зраци и гама зраци

Електромагнетна ранге након ултраљубичастог обухвата Роентген и гама зрачења. Генерално они су таласна дужина, фреквенција и енергија се преклапају у прилично широком опсегу. То јест, постоји Кс-раи пхотон са таласном дужином од 5 пицометерс и гама фотон у истој таласној дужини. Они се разликују само у начину припреме. Роентген јавља у присуству врло брзих електрона и гама зрачење добија само у процесима дезинтеграције и коалесценције једара. Кс-зраци је подељен на блага (уз помоћ сјај светлости и људских костију) и тешко (обично неопходно само за индустријске или истраживачке сврхе). Ако веома снажно убрзан електрона, а онда нагло успорава итс (нпр слање чврста), она ће зрачити рендген фотона. У сударима ових електрона са суштином циљних атома, електрони се извукао из доње шкољке. Електрони Горњи гранате заузму своје место, транзиција и емитује Кс-зраке.

Гама зраци се јављају у другим случајевима. Језгра атома, иако се састоје од многих елементарних честица, такође одликује малом величином, па стога имају тенденцију енергетској квантизације. Транзиција језгара узбуђен државу да нижи, зар не, и уз емисије гама зрака. Сваки колапс реакције или нуклеарне фузије одвија, укључујући појаву гама фотона.

нуклеарна реакција

Мало изнад, поменули смо да атомска језгра су такође подлеже законима квантном свету. Али постоје природно настају материје таквих великих језгра, они постају нестабилни. Они имају тенденцију да се пробије у мање и јаче компоненте. Они, као читалац је вероватно претпоставили, су, на пример, плутонијума и уранијума. Када наша планета формирана од протопланетарног диска, било је одређена количина радиоактивних материја. Пошто су децаиед временом трансформисан у друге хемијских елемената. Ипак, да је преживео неколико нондецаиед уранијума, а његов износ може судити, на пример, старост Земље. За хемијске елементе који имају природну радиоактивност, постоји таква особина као време полуживота. То је временски период за који ће бити преполовљен преостали број атома ове врсте. Халф-Лифе плутонијума, на пример, ту је и двадесет и четири хиљаде година. Међутим, поред природне радиоактивности, такође је приморан. Ако хеави бомбардовање алфа честице или неутрона лигхт атомска језгра су подељена. У овом случају, постоје три врсте јонизујућег зрачења: алфа честице, бета честице, гама зрака. Бета распад језгра доводи до промене у јединици пуњења. Алфа честице се језгру две позитроне. Гама зрачење нема наелектрисање и електромагнетно поље није скренута, али има највећу продире моћ. квантовање енергије јавља се у свим случајевима, језгро.

Рат и мир

Ласери, Кс-зраци, студија чврстих материја и звезде - сви мирни апликације знања о кванта. Међутим, наш свет је пун претњи, и сви желе да се заштите. Наука служи превише војне сврхе. На чак чувар доводе свет чисто теоријски феномен као енергетски квантизације. Одређени дискретни зрачење, на пример, као основа нуклеарног оружја. Наравно, његова примена обрачунате борбене јединице - вероватно читалац ће запамтити Хирошими и Нагасакију. Сви остали разлози, притисните црвено дугме неговао је било више или мање мирно. Као што је увек питање радиоактивне контаминације животне средине. На пример, време полураспада плутонијума горе наведеном чини пејзаж у којем овај елемент добија неподобни за употребу за веома дуго, скоро геолошка епоха.

Вода и жице

Вратимо се у мирном коришћењу нуклеарне реакције. То, наравно, говоримо о производњи електричне енергије помоћу нуклеарне фисије. Овај процес изгледа овако:

Језгро реактора иницијално као слободне неутрона а онда ударио радиоактивни елемент (обично изотопа уран), која подлеже алфа или бета пропадање.

Да би ова реакција није положио у кораку неконтролисаном, реактор језгро садржи тзв врзувавето. По правилу, она се састоји од графита шипки, које су веома добро апсорбује неутроне. Подешавањем њихову дужину, могуће је пратити брзину реакције.

Као резултат тога, један елемент трансформише у други, невероватну количину енергије пуштени. Ова енергија се апсорбује канистер испуњеној тзв тешке воде (уместо водоника деутеријума молекула). Као резултат контакта са реактора да вода проблемом нечистих производе из радиоактивног распада. То рециклажу ова вода је највећи проблем нуклеарне енергије у овом тренутку.

У првом колу воде се налази на другом месту у другом - трећина. Вода трећег кола је већ безбедан за употребу и да је окреће турбину, која се бави производњом електричне енергије.

Упркос таквој великог броја посредника између енергије ослобађа директно језгра и крајњег корисника (немојмо заборавити десетине километара жица, која такође губитак снаге), ова реакција даје невероватну моћ. На пример, нуклеарна електрана може да обезбеди струју за цело подручје са различитим индустријама.