Бұл мақалада энергияны кванттау деген не және бұл құбылыстың қазіргі ғылым үшін қандай маңызы бар екені туралы айтылады. Энергияның дискреттілігінің ашылу тарихы, сондай-ақ атомдарды кванттауды қолдану аймақтары келтірілген.
Физиканың соңы
ХІХ ғасырдың аяғында ғалымдар дилеммаға тап болды: технологияның сол кездегі даму деңгейінде физиканың барлық мүмкін болатын заңдары ашылды, сипатталды және зерттелді. Жаратылыстану пәні бойынша қабілеті жоғары дамыған оқушыларға мұғалімдер физиканы таңдауға кеңес бермеді. Олар бұдан былай атақты болу мүмкін емес деп есептеді, тек ұсақ-түйек бөлшектерді зерттеу үшін күнделікті жұмыс бар. Бұл дарынды адамға емес, зейінді адамға қолайлы болды. Әйтсе де, көңіл көтеретін жаңалық болған фото ойлануға негіз болды. Барлығы қарапайым сәйкессіздіктерден басталды. Алдымен, жарықтың толығымен үздіксіз емес екендігі анықталды: белгілі бір жағдайларда сутегінің жануы фотопластинада бір нүктенің орнына бірқатар сызықтар қалдырды. Әрі қарай гелийдің спектрлері бар екені анықталдысутегі спектрлерінен көп сызықтар. Сонда кейбір жұлдыздардың ізі басқалардан ерекшеленетіні анықталды. Ал таза қызығушылық зерттеушілерді сұрақтарға жауап іздеуде бірінен соң бірі тәжірибені қолмен қоюға мәжбүр етті. Олар ашқан жаңалықтарын коммерциялық қолдану туралы ойлаған жоқ.
Планк және кванттық
Біздің бақытымызға орай, физикадағы бұл серпіліс математиканың дамуымен қатар жүрді. Өйткені не болып жатқанын түсіндіру керемет күрделі формулаларға сәйкес келеді. 1900 жылы Макс Планк қара дененің сәулелену теориясымен айналыса отырып, энергияның квантталғанын анықтады. Бұл мәлімдеменің мағынасын қысқаша сипаттаңыз өте қарапайым. Кез келген элементар бөлшек тек кейбір нақты күйлерде болуы мүмкін. Егер біз дөрекі үлгіні берсек, онда мұндай күйлердің есептегіші 1, 3, 8, 13, 29, 138 сандарын көрсете алады. Ал олардың арасындағы барлық басқа мәндерге қол жеткізу мүмкін емес. Мұның себептерін сәл кейінірек ашамыз. Дегенмен, бұл жаңалықтың тарихына тереңірек үңілсеңіз, ғалымның өзі өмірінің соңына дейін энергияны кванттауды маңызды физикалық мағынаға ие емес, тек ыңғайлы математикалық трюк деп санағанын атап өткен жөн.
Толқын және масса
ХХ ғасырдың басы элементар бөлшектер әлеміне қатысты жаңалықтарға толы болды. Бірақ үлкен құпия келесі парадокс болды: кейбір жағдайларда бөлшектер массасы (және, тиісінше, импульсі) бар объектілер сияқты, ал кейбір жағдайларда толқын сияқты болды. Ұзақ және қыңыр пікірталастардан кейін маған керемет қорытындыға келуге тура келді: электрондар, протондар жәненейтрондар бір мезгілде осы қасиеттерге ие. Бұл құбылыс корпускулалық-толқындық дуализм деп аталды (бұдан екі жүз жыл бұрын орыс ғалымдарының сөзінде бөлшек корпускула деп аталды). Осылайша, электрон белгілі бір жиіліктегі толқынға жағылғандай белгілі бір масса болып табылады. Атом ядросының айналасында айналатын электрон өзінің толқындарын бірінің үстіне бірін шексіз орналастырады. Демек, тек орталықтан белгілі бір қашықтықта (толқын ұзындығына байланысты) айналатын электронды толқындар бір-бірін жоққа шығармайды. Бұл толқындық электронның «басын» оның «құйрығына» қойғанда максимум максимуммен, ал минимум минимуммен сәйкес келгенде болады. Бұл атом энергиясының квантталуын, яғни ондағы электрон болуы мүмкін қатаң анықталған орбиталардың болуын түсіндіреді.
Вакуумдағы сфералық наногорс
Алайда, нақты жүйелер керемет күрделі. Жоғарыда сипатталған логикаға бағынатын болсақ, сутегі мен гелийдегі электрондардың орбиталарының жүйесін әлі де түсінуге болады. Дегенмен, қосымша күрделі есептеулер қажет. Оларды түсіну үшін қазіргі студенттер потенциалды ұңғымадағы бөлшектердің энергиясын кванттауды зерттейді. Бастау үшін идеалды пішінді ұңғыма және бір үлгілі электрон таңдалады. Олар үшін Шредингер теңдеуін шешеді, электрон бола алатын энергия деңгейлерін табады. Осыдан кейін олар көбірек айнымалыларды енгізу арқылы тәуелділіктерді іздеуді үйренеді: ұңғыманың ені мен тереңдігі, электронның энергиясы мен жиілігі өздерінің сенімділігін жоғалтады, теңдеулерге күрделілік қосады. Әрі қарайшұңқырдың пішіні өзгереді (мысалы, ол профильде төртбұрышты немесе кедір-бұдыр болады, оның жиектері симметриясын жоғалтады), көрсетілген сипаттамалары бар гипотетикалық элементар бөлшектер алынады. Сонда ғана олар нақты атомдардың және одан да күрделі жүйелердің сәулелену энергиясын кванттауды қамтитын есептерді шешуді үйренеді.
Импульс, бұрыштық импульс
Алайда, айталық, электронның энергетикалық деңгейі азды-көпті түсінікті шама. Қалай болғанда да, бәрі орталық жылыту батареяларының жоғары энергиясы пәтердегі жоғары температураға сәйкес келетінін елестетеді. Тиісінше, энергияның квантталуын әлі де алыпсатарлық жолмен елестетуге болады. Физикада интуитивті түрде түсіну қиын ұғымдар да бар. Макроәлемде импульс жылдамдық пен массаның көбейтіндісі болып табылады (импульс сияқты жылдамдықтың векторлық шама екенін, яғни бағытқа байланысты екенін ұмытпаңыз). Баяу ұшатын орташа тас адамға тигенде ғана көгеріп қалатыны, ал үлкен жылдамдықпен атылған шағын оқ денені тесіп өтетіні екпінділіктің арқасында. Микроәлемде импульс – бөлшектің қоршаған кеңістікпен байланысын, сондай-ақ оның қозғалу және басқа бөлшектермен әрекеттесу қабілетін сипаттайтын шама. Соңғысы энергияға тікелей байланысты. Осылайша, бөлшектің энергиясы мен импульсінің квантталуы өзара байланысты болуы керек екендігі белгілі болады. Сонымен қатар, физикалық құбылыстың мүмкін болатын ең кіші бөлігін білдіретін және шамалардың дискреттілігін көрсететін h тұрақтысы формулаға жәненаноәлемдегі бөлшектердің энергиясы мен импульсі. Бірақ интуитивті санадан бұдан да алыс ұғым бар – импульс моменті. Ол айналатын денелерге қатысты және қандай массамен және қандай бұрыштық жылдамдықпен айналатынын көрсетеді. Еске салайық, бұрыштық жылдамдық уақыт бірлігіндегі айналу мөлшерін көрсетеді. Бұрыштық импульс айналатын дене затының таралу жолын да айта алады: массасы бірдей, бірақ айналу осіне жақын немесе периферияда шоғырланған объектілердің бұрыштық импульсі әртүрлі болады. Оқырман болжағандай, атом әлемінде бұрыштық импульстің энергиясы квантталған.
Кванттық және лазер
Энергияның және басқа шамалардың дискреттілігінің ашылуының әсері айқын. Әлемді егжей-тегжейлі зерттеу тек кванттықтың арқасында мүмкін болады. Заттарды зерттеудің заманауи әдістері, әртүрлі материалдарды пайдалану, тіпті оларды жасау туралы ғылым да энергияның квантталуының не екенін түсінудің табиғи жалғасы болып табылады. Лазерді пайдалану және пайдалану принципі де ерекшелік емес. Жалпы алғанда, лазер үш негізгі элементтен тұрады: жұмыс сұйықтығы, айдау және шағылысатын айна. Жұмыс сұйықтығы электрондар үшін салыстырмалы түрде жақын екі деңгей болатындай етіп таңдалады. Бұл деңгейлердің ең маңызды критерийі олардағы электрондардың өмір сүру ұзақтығы болып табылады. Яғни, төменірек және тұрақтырақ жағдайға көшкенге дейін электрон белгілі бір күйде қанша уақыт ұстай алады. Екі деңгейдің жоғарғысы ұзақ өмір сүретін болуы керек. Содан кейін айдау (көбінесе әдеттегі шаммен, кейде инфрақызыл шаммен) электрондарды бередіолардың барлығы энергияның жоғарғы деңгейінде жиналып, сонда жиналуы үшін жеткілікті энергия. Бұл кері деңгейдегі популяция деп аталады. Әрі қарай кейбір бір электрон фотонның эмиссиясымен төменірек және тұрақтырақ күйге өтеді, бұл барлық электрондардың төмен қарай ыдырауын тудырады. Бұл процестің ерекшелігі - барлық алынған фотондардың толқын ұзындығы бірдей және когерентті. Дегенмен, жұмыс органы, әдетте, айтарлықтай үлкен және онда әртүрлі бағыттарға бағытталған ағындар пайда болады. Шағылыстыратын айнаның рөлі тек бір бағытта бағытталған фотонды ағындарды сүзу болып табылады. Нәтижесінде шығу бірдей толқын ұзындығының когерентті толқындарының тар қарқынды сәулесі болып табылады. Бастапқыда бұл тек қатты күйде ғана мүмкін деп саналды. Бірінші лазерде жұмыс ортасы ретінде жасанды рубин болды. Қазір лазерлердің барлық түрлері мен түрлері бар - сұйықтықтарда, газдарда, тіпті химиялық реакцияларда. Оқырман көріп отырғандай, бұл процесте атомның жарықты жұтуы және шығаруы негізгі рөл атқарады. Бұл жағдайда энергияны кванттау тек теорияны сипаттауға негіз болады.
Жарық және электрон
Атомдағы электронның бір орбитадан екінші орбитаға ауысуы энергияның шығарылуымен немесе жұтылуымен жүретінін еске түсірейік. Бұл энергия жарық кванты немесе фотон түрінде пайда болады. Формалды түрде фотон бөлшек болып табылады, бірақ ол наноәлемнің басқа тұрғындарынан ерекшеленеді. Фотонның массасы жоқ, бірақ оның импульсі бар. Мұны 1899 жылы орыс ғалымы Лебедев жарықтың қысымын анық көрсетіп, дәлелдеген. Фотон тек қозғалыста және оның жылдамдығында боладыжарық жылдамдығына тең. Бұл біздің ғаламдағы ең жылдам нысан. Жарық жылдамдығы (стандартты түрде кішкентай латынша «с» деп белгіленеді) секундына үш жүз мың шақырымға жуық. Мысалы, біздің галактиканың көлемі (ғарыш тұрғысынан ең үлкені емес) шамамен жүз мың жарық жылына тең. Затпен соқтығысқан фотон оған өз энергиясын толығымен береді, бұл жағдайда еріген сияқты. Электрон бір орбитадан екінші орбитаға ауысқанда бөлінетін немесе жұтылатын фотонның энергиясы орбиталардың арасындағы қашықтыққа байланысты. Егер ол аз болса, энергиясы төмен инфрақызыл сәуле шығады, үлкен болса ультракүлгін сәуле алынады.
Рентген және гамма-сәулелену
Ультракүлгіннен кейінгі электромагниттік шкалада рентген және гамма-сәулелену бар. Жалпы алғанда, олар толқын ұзындығы, жиілігі және энергиясы бойынша өте кең ауқымда қабаттасады. Яғни толқын ұзындығы 5 пикометр рентгендік фотон және толқын ұзындығы бірдей гамма фотон бар. Олар тек қабылдау тәсілімен ғана ерекшеленеді. Рентген сәулелері өте жылдам электрондардың қатысуымен пайда болады, ал гамма-сәулелену тек атом ядроларының ыдырауы мен қосылуы процестерінде алынады. Рентген сәулесі жұмсақ (оны адамның өкпесі мен сүйектері арқылы көрсету үшін пайдаланады) және қатты (әдетте тек өндірістік немесе ғылыми мақсатта қажет) болып бөлінеді. Егер сіз электронды өте қатты үдетсеңіз, содан кейін оны күрт баяулатсаңыз (мысалы, оны қатты денеге бағыттау арқылы), онда ол рентгендік фотондарды шығарады. Мұндай электрондар затпен соқтығысқанда нысана атомдар бөлініп шығадытөменгі қабаттардағы электрондар. Бұл жағдайда жоғарғы қабықтардың электрондары өз орнын алады, сонымен қатар ауысу кезінде рентген сәулелерін шығарады.
Гамма кванттар басқа жағдайларда кездеседі. Атомдардың ядролары көптеген элементар бөлшектерден тұратынымен, көлемі жағынан да шағын, яғни олар энергияның квантталуымен сипатталады. Ядролардың қозған күйден төменгі күйге өтуі гамма-сәулелердің сәулеленуімен дәл жүреді. Кез келген ыдырау немесе ядролардың қосылу реакциясы, соның ішінде гамма фотондардың пайда болуымен жүреді.
Ядролық реакция
Біраз жоғарырақ біз атом ядроларының да кванттық әлем заңдарына бағынатынын айттық. Бірақ табиғатта ядролары сондай үлкен заттар бар, олар тұрақсыз болады. Олар кішірек және тұрақтырақ құрамдастарға ыдырайды. Бұл, бәлкім, оқырман болжағандай, мысалы, плутоний мен уран. Біздің планета протопланеталық дискіден пайда болған кезде оның құрамында белгілі бір мөлшерде радиоактивті заттар болған. Уақыт өте келе олар ыдырап, басқа химиялық элементтерге айналды. Дегенмен, ыдырамаған уранның белгілі бір мөлшері осы күнге дейін сақталған және оның мөлшері бойынша, мысалы, Жердің жасын бағалауға болады. Табиғи радиоактивтілігі бар химиялық элементтер үшін жартылай ыдырау кезеңі сияқты сипаттама бар. Бұл осы түрдегі қалған атомдар саны екі есе азаятын уақыт кезеңі. Мысалы, плутонийдің жартылай ыдырау кезеңі жиырма төрт мың жылда болады. Дегенмен, табиғи радиоактивтіліктен басқа, мәжбүрлі де бар. Ауыр альфа бөлшектерімен немесе жеңіл нейтрондармен бомбаланған кезде атомдардың ядролары ыдырайды. Бұл жағдайда иондаушы сәулеленудің үш түрін ажыратады: альфа бөлшектері, бета бөлшектері, гамма-сәулелері. Бета ыдырауы ядролық зарядтың бір-біріне өзгеруіне әкеледі. Альфа бөлшектері ядродан екі позитрон алады. Гамма-сәулеленудің заряды жоқ және электромагниттік өрістің әсерінен ауытқымайды, бірақ оның ең жоғары енетін күші бар. Энергияның квантталуы ядролық ыдыраудың барлық жағдайларында орын алады.
Соғыс және бейбітшілік
Лазерлер, рентген сәулелері, қатты денелерді және жұлдыздарды зерттеу - мұның бәрі кванттар туралы білімнің бейбіт қолдануы. Дегенмен, біздің әлем қауіп-қатерге толы және әркім өзін қорғауға тырысады. Ғылым әскери мақсатқа да қызмет етеді. Тіпті энергияны кванттау сияқты таза теориялық құбылыс дүниенің күзетіне қойылды. Кез келген радиацияның дискреттілігін анықтау, мысалы, ядролық қарудың негізін құрады. Әрине, оның бірнеше жауынгерлік қолданбалары бар - оқырманның есінде Хиросима мен Нагасаки болса керек. Қызыл түймені басу үшін барлық басқа себептер азды-көпті бейбіт болды. Сондай-ақ, қоршаған ортаның радиоактивті ластануы туралы мәселе әрқашан бар. Мысалы, жоғарыда көрсетілген плутонийдің жартылай ыдырау периоды бұл элемент кіретін ландшафтты өте ұзақ уақытқа, яғни геологиялық дәуірге дерлік жарамсыз етеді.
Су және сымдар
Ядролық реакцияларды бейбіт мақсатта пайдалануға қайта оралайық. Біз, әрине, ядролық ыдырау арқылы электр энергиясын өндіру туралы айтып отырмыз. Процесс келесідей көрінеді:
ӨзегіндеРеакторда алдымен бос нейтрондар пайда болады, содан кейін олар альфа немесе бета ыдырауына ұшырайтын радиоактивті элементке (әдетте уранның изотопы) түседі.
Бұл реакцияның бақыланбайтын кезеңге өтуіне жол бермеу үшін реактордың өзегінде модераторлар бар. Әдетте, бұл нейтрондарды өте жақсы сіңіретін графит таяқшалары. Олардың ұзындығын реттеу арқылы реакция жылдамдығын бақылауға болады.
Нәтижесінде бір элемент екінші элементке айналып, керемет энергия бөлінеді. Бұл энергияны ауыр су деп аталатын (дейтерий молекулаларындағы сутегінің орнына) толтырылған ыдыс жұтады. Реактордың өзегімен жанасу нәтижесінде бұл су радиоактивті ыдырау өнімдерімен қатты ластанған. Дәл осы суды кәдеге жарату қазіргі уақытта атом энергетикасының ең үлкен проблемасы болып табылады.
Екіншісі бірінші су тізбегіне, үшіншісі екіншісіне қойылады. Үшінші контурдың суын пайдалану қазірдің өзінде қауіпсіз және ол электр энергиясын өндіретін турбинаны айналдырады.
Тікелей генерациялайтын ядролар мен түпкілікті тұтынушы арасындағы делдалдардың соншалықты көптігіне қарамастан (қуатын жоғалтатын ондаған километр сымдарды да ұмытпайық), бұл реакция керемет қуат береді. Мысалы, бір атом электр станциясы көптеген өнеркәсіптері бар бүкіл ауданды электр қуатымен қамтамасыз ете алады.
