Бул макалада энергияны кванттоо деген эмне жана бул кубулуштун заманбап илим үчүн кандай мааниси бар экендиги жөнүндө сөз болот. Энергиянын дискреттүүлүгүнүн ачылышынын тарыхы, ошондой эле атомдорду квантташтыруунун колдонулуш аймактары келтирилген.
Физиканын аягы
Он тогузунчу кылымдын аягында окумуштуулар дилеммага туш болушкан: технологиянын ошол кездеги өнүгүү деңгээлинде физиканын мүмкүн болгон бардык мыйзамдары ачылган, сүрөттөлгөн жана изилденген. Табигый илимдер тармагында жөндөмдүүлүгү жогору өнүккөн окуучуларга мугалимдер физиканы тандоого кеңеш беришкен эмес. Алар мындан ары бул жерде атактуу болуу мүмкүн эмес, майда майда-чүйдөсүнө чейин изилдөө үчүн күнүмдүк иш гана бар деп ишенишкен. Бул таланттууга караганда, көңүл бурган адамга көбүрөөк ылайыктуу болгон. Бирок, көңүл ачуучу ачылыш болгон сүрөт ойлонууга негиз берди. Мунун баары жөнөкөй карама-каршылыктар менен башталды. Баштоо үчүн, жарык толугу менен үзгүлтүксүз эмес экени белгилүү болду: белгилүү бир шарттарда, күйүп жаткан суутек фотопластинкада бир тактын ордуна бир катар сызыктарды калтырган. Андан ары гелийдин спектрлери бар экени белгилүү болдусуутек спектрлерине караганда көбүрөөк сызыктар. Анда кээ бир жылдыздардын изи башкалардан айырмаланып турганы аныкталган. Ал эми таза кызыгуу изилдөөчүлөрдү суроолорго жооп издөө үчүн тажрыйбаны биринин артынан экинчисин кол менен коюуга мажбур кылды. Алар өздөрүнүн ачылыштарын коммерциялык колдонуу жөнүндө ойлонушкан эмес.
Планк жана квант
Биздин бактыга жараша, физикадагы бул ачылыш математиканын өнүгүшү менен коштолду. Анткени эмне болуп жатканын түшүндүрүү укмуштуудай татаал формулаларга туура келди. 1900-жылы Макс Планк кара дененин нурлануу теориясынын үстүндө иштеп, энергия квантталаарын аныктаган. Бул сөздүн маанисин кыскача сүрөттөп берсеңиз, абдан жөнөкөй. Ар кандай элементардык бөлүкчө кээ бир конкреттүү абалда гана болушу мүмкүн. Эгерде биз болжолдуу моделди берсек, анда мындай мамлекеттердин эсептегичи 1, 3, 8, 13, 29, 138 сандарын көрсөтө алат. Жана алардын ортосундагы башка бардык баалуулуктарга жеткиликсиз. Мунун себептерин бир аз кийинчерээк ачыктайбыз. Бирок, эгер сиз бул ачылыштын тарыхына кайрылсаңыз, окумуштуунун өзү өмүрүнүн акырына чейин энергиянын квантталышын олуттуу физикалык мааниге ээ эмес, ыңгайлуу математикалык трюк деп эсептегенин белгилей кетүү керек.
Толкун жана масса
20-кылымдын башталышы элементардык бөлүкчөлөр дүйнөсүнө байланыштуу ачылыштарга жык толгон. Бирок чоң сыр төмөнкүдөй парадокс болду: кээ бир учурларда бөлүкчөлөр массасы (жана, ошого жараша импульсу) бар объектилердей, ал эми кээ бир учурларда толкун сыяктуу жүрүшкөн. Узак жана өжөр талаш-тартыштардан кийин мен укмуштуудай жыйынтыкка келүүгө туура келди: электрондор, протондор жананейтрондор ошол эле учурда бул касиеттерге ээ. Бул кубулуш корпускулярдык-толкундук дуализм деп аталды (эки жүз жыл мурун орус окумуштууларынын сөзүндө бөлүкчө корпускула деп аталган). Ошентип, электрон белгилүү бир жыштыктагы толкунга сыйпалгандай, белгилүү бир масса. Атомдун ядросунун айланасында айланган электрон, анын толкундарын бири-биринин үстүнө чексиз жайгаштырат. Демек, борбордон белгилүү аралыкта гана (толкун узундугуна жараша) айланып турган электрон толкундары бири-бирин жокко чыгарбайт. Бул толкун электронунун «башы» анын «куйругуна» коюлганда, максимум максимум менен, ал эми минимум минимум менен дал келгенде болот. Бул атомдун энергиясынын квантталышын, башкача айтканда, анда электрондун болушу мүмкүн болгон так аныкталган орбиталардын болушун түшүндүрөт.
Вакуумдагы сфералык наногорс
Бирок чыныгы системалар укмуштуудай татаал. Жогоруда айтылган логикага баш ийсек, суутек менен гелийдеги электрондордун орбиталарынын системасын дагы деле түшүнүүгө болот. Бирок, мындан ары татаал эсептөөлөр мурунтан эле талап кылынат. Аларды кантип түшүнүүнү үйрөнүү үчүн, азыркы студенттер потенциалдуу кудуктагы бөлүкчөлөрдүн энергиясынын квантташтырылышын изилдешет. Баштоо үчүн идеалдуу формадагы кудук жана бирдиктүү электрон модели тандалат. Алар үчүн Шредингер теңдемесин чечип, электрон боло турган энергиянын деңгээлин табышат. Андан кийин алар барган сайын көбүрөөк өзгөрмөлөрдү киргизүү менен көз карандылыкты издөөгө үйрөнүшөт: скважинанын туурасы жана тереңдиги, электрондун энергиясы жана жыштыгы өз ишенимдүүлүгүн жоготуп, теңдемелерге татаалдыкты кошот. Андан арычуңкурдун формасы өзгөрөт (мисалы, профилде төрт бурчтуу же тиштүү болуп калат, анын четтери симметриясын жоготот), белгиленген мүнөздөмөлөрү бар гипотетикалык элементардык бөлүкчөлөр алынат. Ошондон кийин гана алар реалдуу атомдордун нурлануу энергиясынын кванттоосун жана андан да татаал системаларды камтыган маселелерди чечүүнү үйрөнүшөт.
Момент, бурчтук импульс
Бирок, айталы, электрондун энергетикалык деңгээли аздыр-көптүр түшүнүктүү чоңдук. Кандай болбосун, ар бир адам борбордук жылытуу батареяларынын жогорку энергиясы батирдеги жогорку температурага туура келет деп ойлошот. Демек, энергиянын квантталышын дагы эле спекуляциялык жол менен элестетүүгө болот. Физикада интуитивдик түшүнүү кыйын болгон түшүнүктөр да бар. Макрокосмдо импульс ылдамдык менен массанын көбөйтүндүсү болуп саналат (тездик импульс сыяктуу вектордук чоңдук экенин, б.а. багытка көз каранды экенин унутпаңыз). Акырын учкан орто чоңдуктагы таш адамга тийгенде гана көгөрүп калаары, ал эми чоң ылдамдыкта атылган кичинекей ок денени тешип, тешип калары айкын болгон импульстун урматында. Микро ааламда импульс – бөлүкчөнүн курчап турган мейкиндик менен байланышын, ошондой эле анын башка бөлүкчөлөр менен кыймыл жана өз ара аракеттенүү жөндөмдүүлүгүн мүнөздөгөн чоңдук. Акыркысы түздөн-түз энергиядан көз каранды. Ошентип, бөлүкчөнүн энергиясы менен импульстун кванттоосу өз ара байланышта болушу керек экени айкын болот. Мындан тышкары, физикалык кубулуштун мүмкүн болгон эң кичине бөлүгүн билдирген жана чоңдуктардын дискреттүүлүгүн көрсөткөн h туруктуусу формулага жанананодүйнөдөгү бөлүкчөлөрдүн энергиясы жана импульсу. Бирок интуитивдик аң-сезимден дагы алысыраак түшүнүк бар - импульс учуру. Ал айлануучу денелерге тиешелүү жана кандай масса жана кандай бурчтук ылдамдык менен айланганын көрсөтөт. Эске салсак, бурчтук ылдамдык убакыт бирдигине айлануунун көлөмүн көрсөтөт. Бурчтук импульс айлануучу дененин затынын таралышын да айта алат: массасы бирдей, бирок айлануу огунун жанында же периферияда топтолгон объекттер башка бурчтук импульске ээ болот. Окурман ойлогондой, атом дүйнөсүндө бурчтук импульстун энергиясы квантталат.
Квант жана лазер
Энергиянын жана башка чоңдуктардын дискреттүүлүгүнүн ачылышынын таасири ачык көрүнүп турат. Дүйнөнү кылдат изилдөө кванттын аркасында гана мүмкүн. Материяны изилдөөнүн заманбап ыкмалары, ар кандай материалдарды колдонуу, жада калса аларды түзүү илими энергияны кванттоо эмне экенин түшүнүүнүн табигый уландысы болуп саналат. Иштөө принциби жана лазерди колдонуу да четте калбайт. Жалпысынан алганда, лазер үч негизги элементтен турат: жумушчу суюктук, насостук жана чагылдыруучу күзгү. Жумушчу суюктук электрондор үчүн эки салыштырмалуу жакын деңгээлдегидей кылып тандалат. Бул деңгээлдердин эң негизги критерийи бул алардын үстүндөгү электрондордун өмүрү. Башкача айтканда, электрон төмөнкү жана туруктуураак абалга өткөнгө чейин белгилүү бир абалда канчага чейин туруштук бере алат. Эки деңгээлдин ичинен эң жогорусу узунураак болушу керек. Андан кийин насостук (көбүнчө кадимки лампа менен, кээде инфракызыл лампа менен) электрондорду береталардын баары энергиянын эң жогорку деңгээлине чогулуп, ошол жерде топтолушу үчүн жетиштүү энергия. Бул тескери деңгээл популяциясы деп аталат. Андан ары, кээ бир электрон фотондун эмиссиясы менен төмөнкү жана туруктуураак абалга өтөт, бул бардык электрондордун ылдый карай бузулушуна алып келет. Бул процесстин өзгөчөлүгү – бардык пайда болгон фотондордун толкун узундугу бирдей жана когеренттүү. Бирок, жумушчу орган, эреже катары, абдан чоң болуп саналат жана агымы ар кандай багыттар боюнча багытталган, анда түзүлөт. Чагылдыруучу күзгүнүн ролу бир багытта багытталган фотон агымдарын гана чыпкалоо болуп саналат. Натый-жада, чыгаруу бирдей толкун узундуктагы когеренттик толкундардын тар интенсивдүү нуру болуп саналат. Алгач бул катуу абалда гана мүмкүн деп эсептелген. Биринчи лазер жумушчу чөйрө катары жасалма рубинге ээ болгон. Азыр бардык түрдөгү жана түрдөгү лазерлер бар - суюктуктарга, газдарга, ал тургай химиялык реакцияларга да. Окурман көрүп тургандай, бул процессте атомдун жарыкты сиңирүү жана чыгаруу негизги ролду ойнойт. Бул учурда энергияны кванттоо теорияны сыпаттоо үчүн гана негиз болуп саналат.
Жарык жана электрон
Эске салсак, атомдогу электрондун бир орбитадан экинчи орбитага өтүшү энергиянын эмиссиясы же жутулушу менен коштолот. Бул энергия жарыктын квант же фотон түрүндө пайда болот. Формалдуу түрдө фотон бөлүкчө болуп саналат, бирок ал нанодүйнөнүн башка тургундарынан айырмаланат. Фотондун массасы жок, бирок анын импульсу бар. Муну 1899-жылы орус окумуштуусу Лебедев жарыктын басымын ачык көрсөтүп далилдеген. Фотон кыймылда жана анын ылдамдыгында гана баржарыктын ылдамдыгына барабар. Бул биздин ааламдагы эң ылдам объект. Жарыктын ылдамдыгы (стандартты түрдө кичинекей латынча «с» менен белгиленет) секундасына үч жүз миң километрге жакын. Мисалы, биздин галактиканын көлөмү (космос жагынан эң чоңу эмес) болжол менен жүз миң жарык жылы. Зат менен кагылышып, фотон ага энергияны толугу менен берет, бул учурда ээригендей. Электрон бир орбитадан экинчи орбитага өткөндө бөлүнүп чыккан же жутулчу фотондун энергиясы орбиталардын ортосундагы аралыкка көз каранды. Эгер ал кичине болсо, энергиясы аз инфракызыл нурланат, чоң болсо ультрафиолет алынат.
Рентген жана гамма нурлануу
Ультрафиолеттен кийинки электромагниттик шкала рентген жана гамма нурланууну камтыйт. Жалпысынан алганда, алар бир кыйла кенен диапазондо толкун узундугу, жыштыгы жана энергия боюнча бири-бирине дал келет. Башкача айтканда, толкун узундугу 5 пикометрге барабар болгон рентген фотону жана толкун узундугу бирдей болгон гамма фотон бар. Алар кабыл алуу жолу менен гана айырмаланат. Рентген нурлары өтө ылдам электрондордун катышуусунда пайда болот, ал эми гамма нурлануу атом ядролорунун ажыроо жана биригүү процесстеринде гана алынат. Рентген нурлары жумшак (адамдын өпкөсү жана сөөктөрү аркылуу көрсөтүү үчүн колдонулат) жана катуу (көбүнчө өндүрүштүк же илимий максаттар үчүн гана керек) болуп бөлүнөт. Эгерде сиз электронду абдан катуу ылдамдатып, андан кийин аны кескин басаңдатсаңыз (мисалы, аны катуу денеге багыттап), анда ал рентген фотондорун чыгарат. Мындай электрондор зат менен кагылышканда максаттуу атомдор бөлүнүп чыгаттөмөнкү кабыктарынан электрондор. Бул учурда жогорку кабыкчалардын электрондору өз ордун ээлеп, өтүү учурунда рентген нурларын да чыгарышат.
Гамма кванттар башка учурларда пайда болот. Атомдордун ядролору көптөгөн элементардык бөлүкчөлөрдөн турса да, көлөмү боюнча да кичинекей, демек алар энергиянын квантталышы менен мүнөздөлөт. Ядролордун дүүлүккөн абалдан төмөнкү абалга өтүшү так гамма нурлардын эмиссиясы менен коштолот. Ядролордун ажыроо же биригүү реакциясы, анын ичинде гамма фотондордун пайда болушу менен жүрөт.
Ядролук реакция
Бир аз жогорураак биз атомдук ядролор да кванттык дүйнөнүн мыйзамдарына баш ийерин айттык. Бирок табиятта ушунчалык чоң ядролуу заттар бар, алар туруксуз болуп калат. Алар кичине жана туруктуураак компоненттерге бөлүнөт. Булар, балким, окурман ойлогондой, мисалы, плутоний менен уранды камтыйт. Биздин планета протопланетардык дисктен пайда болгондо, анын ичинде белгилүү өлчөмдө радиоактивдүү заттар болгон. Убакыттын өтүшү менен алар чирип, башка химиялык элементтерге айланган. Бирок ошентсе да, чирибеген урандын белгилүү бир бөлүгү ушул күнгө чейин сакталып калган жана анын саны боюнча, мисалы, Жердин жашын баалоого болот. Табигый радиоактивдүүлүккө ээ болгон химиялык элементтер үчүн жарым ажыроо мезгили сыяктуу өзгөчөлүк бар. Бул ушул типтеги атомдордун саны эки эсеге кыскара турган убакыт аралыгы. Мисалы, плутонийдин жарым ажыроо мезгили жыйырма төрт миң жылда болот. Бирок, табигый радиоактивдүүлүктөн тышкары, аргасыз да бар. Оор альфа бөлүкчөлөрү же жеңил нейтрондор менен бомбаланганда атомдордун ядролору ажырайт. Бул учурда иондоштуруучу нурлануунун үч түрү бөлүнөт: альфа-бөлүкчөлөр, бета-бөлүкчөлөр, гамма-нурлар. Бета ажыроо ядролук заряддын бир өзгөрүшүнө алып келет. Альфа бөлүкчөлөрү ядродон эки позитрон алат. Гамма-нурлануунун заряды жок жана электромагниттик талаадан бурулбайт, бирок ал эң жогорку өтүүчү күчкө ээ. Энергияны кванттоо ядролук ажыроонун бардык учурларында болот.
Согуш жана тынчтык
Лазерлер, рентген нурлары, катуу заттарды жана жылдыздарды изилдөө - мунун баары кванттар жөнүндөгү билимди тынчтык максатта колдонуу. Бирок, биздин дүйнө коркунучтарга толгон жана ар бир адам өзүн коргоого умтулат. Илим аскердик максаттарга да кызмат кылат. Ал тургай энергияны кванттоо сыяктуу таза теориялык кубулуш да дүйнөнүн күзөтүнө коюлган. Кандайдыр бир радиациянын дискреттүүлүгүн аныктоо, мисалы, ядролук куралдын негизин түзгөн. Албетте, анын бир нече гана согуштук тиркемелери бар - окурман Хиросима менен Нагасакини эсинде болсо керек. Каалаган кызыл баскычты басуунун бардык башка себептери аздыр-көптүр тынч эле. Ошондой эле, айлана-чөйрөнү радиоактивдүү булгануу маселеси ар дайым бар. Мисалы, жогоруда көрсөтүлгөн плутонийдин жарым ажыроо мезгили бул элемент кирген ландшафтты өтө узак убакытка, дээрлик геологиялык доорго жараксыз кылат.
Суу жана зымдар
Келгиле, ядролук реакцияларды тынчтык максатта колдонууга кайрылалы. Сөз, албетте, ядролук бөлүнүү жолу менен электр энергиясын өндүрүү жөнүндө болуп жатат. Процесс мындай көрүнөт:
ӨзөктөРеактордо адегенде эркин нейтрондор пайда болуп, андан соң альфа же бета ажыроого учураган радиоактивдүү элементке (көбүнчө урандын изотопу) тийет.
Бул реакциянын көзөмөлсүз баскычка өтүшүнө жол бербөө үчүн реактордун өзөгүндө модераторлор бар. Эреже катары, бул нейтрондорду абдан жакшы сиңирген графит таякчалары. Алардын узундугун тууралоо менен, реакция ылдамдыгын көзөмөлдөй аласыз.
Натыйжада бир элемент экинчисине айланып, укмуштуудай энергия бөлүнүп чыгат. Бул энергия оор суу деп аталган (дейтерий молекулаларындагы суутектин ордуна) толтурулган идишке сиңет. Реактордун өзөгү менен байланыштын натыйжасында бул суу радиоактивдүү ажыроо продуктылары менен катуу булганган. Дал ушул суунун утилизациясы учурда өзөктүк энергиянын эң чоң көйгөйү болуп саналат.
Экинчи суунун биринчи контуруна, үчүнчүсү экинчисине жайгаштырылат. Үчүнчү контурдун суусун колдонууга эчак эле коопсуз, ал турбинаны бурат, ал электр энергиясын иштеп чыгат.
Түздөн-түз генерациялоочу өзөктөр менен акыркы керектөөчүнүн ортосундагы ушунча көп сандагы ортомчуларга карабастан (ондогон километр зымдарды да унутуп коелу, алар да күчүн жоготот), бул реакция укмуштуудай күч берет. Мисалы, бир атомдук электр станциясы көптөгөн өнөр жайы бар бүтүндөй аймакты электр энергиясы менен камсыздай алат.
