Aquest article parla de què és la quantificació d'energia i quina importància té aquest fenomen per a la ciència moderna. Es dóna la història del descobriment de la discreció de l'energia, així com les àrees d'aplicació de la quantificació dels àtoms.
Fi de la física
A finals del segle XIX, els científics es van enfrontar a un dilema: a l'aleshores nivell de desenvolupament tecnològic, es van descobrir, descriure i estudiar totes les lleis possibles de la física. Els professors no van aconsellar als alumnes que tenien habilitats molt desenvolupades en el camp de les ciències naturals que escollissin la física. Creien que ja no era possible fer-se famós en ella, només hi havia un treball rutinari per estudiar petits detalls. Això era més adequat per a una persona atenta que per a una persona dotada. Tanmateix, la foto, que va ser més aviat un descobriment entretingut, va donar motius per pensar. Tot va començar amb simples inconsistències. Per començar, va resultar que la llum no era del tot contínua: en determinades condicions, la crema d'hidrogen deixava una sèrie de línies a la placa fotogràfica en lloc d'un sol punt. A més, va resultar que els espectres de l'heli teniamés línies que els espectres de l'hidrogen. Aleshores es va comprovar que el rastre d'unes estrelles és diferent d' altres. I la pura curiositat va obligar els investigadors a posar manualment una experiència rere una altra a la recerca de respostes a les preguntes. No van pensar en l'aplicació comercial dels seus descobriments.
Planck i quantum
Afortunadament per a nos altres, aquest avenç en la física va anar acompanyat del desenvolupament de les matemàtiques. Perquè l'explicació del que estava passant encaixava en fórmules increïblement complexes. L'any 1900, Max Planck, treballant en la teoria de la radiació del cos negre, va descobrir que l'energia està quantificada. Descriure breument el significat d'aquesta afirmació és bastant simple. Qualsevol partícula elemental només pot estar en alguns estats específics. Si donem un model aproximat, el comptador d'aquests estats pot mostrar els números 1, 3, 8, 13, 29, 138. I tots els altres valors entre ells són inaccessibles. Desvelarem els motius d'això una mica més endavant. Tanmateix, si us endinseu en la història d'aquest descobriment, val la pena assenyalar que el mateix científic, fins al final de la seva vida, va considerar que la quantificació d'energia només era un truc matemàtic convenient, no dotat d'un significat físic seriós.
Ona i missa
El començament del segle XX va estar ple de descobriments relacionats amb el món de les partícules elementals. Però el gran misteri era la següent paradoxa: en alguns casos, les partícules es comportaven com objectes amb massa (i, en conseqüència, impuls), i en alguns casos, com una ona. Després d'un llarg i obstinat debat, vaig haver d'arribar a una conclusió increïble: electrons, protons iels neutrons tenen aquestes propietats al mateix temps. Aquest fenomen es va anomenar dualisme d'ones corpusculars (en el discurs dels científics russos fa dos-cents anys, una partícula s'anomenava corpuscle). Per tant, un electró és una massa determinada, com si s'unís en una ona d'una determinada freqüència. Un electró que gira al voltant del nucli d'un àtom superposa sense parar les seves ones una sobre l' altra. En conseqüència, només a determinades distàncies del centre (que depenen de la longitud d'ona) les ones d'electrons, en rotació, no s'anul·len mútuament. Això passa quan, quan el "cap" d'un electró d'ona se superposa a la seva "cua", els màxims coincideixen amb els màxims, i els mínims coincideixen amb els mínims. Això explica la quantificació de l'energia d'un àtom, és a dir, la presència d'òrbites estrictament definides en ell, en les quals pot existir un electró.
Nanocavall esfèric al buit
No obstant això, els sistemes reals són increïblement complexos. Obeint la lògica descrita anteriorment, encara es pot entendre el sistema d'òrbites d'electrons en hidrogen i heli. Tanmateix, ja calen càlculs més complexos. Per aprendre a entendre'ls, els estudiants moderns estudien la quantificació de l'energia de partícules en un pou potencial. Per començar, s'escull un pou de forma ideal i un sol model d'electró. Per a ells, resolen l'equació de Schrödinger, troben els nivells d'energia als quals pot estar l'electró. Després d'això, aprenen a buscar dependències introduint cada cop més variables: l'amplada i la profunditat del pou, l'energia i la freqüència de l'electró perden la seva certesa, afegint complexitat a les equacions. Més llunyla forma de la fossa canvia (per exemple, es fa quadrada o de perfil irregular, les seves vores perden la seva simetria), es prenen hipotètiques partícules elementals amb característiques especificades. I només llavors aprenen a resoldre problemes que impliquen la quantificació de l'energia de radiació dels àtoms reals i fins i tot sistemes més complexos.
Moment, moment angular
No obstant això, el nivell d'energia de, per exemple, un electró és una quantitat més o menys comprensible. D'una manera o altra, tothom s'imagina que la major energia de les bateries de la calefacció central correspon a una temperatura més alta a l'apartament. En conseqüència, la quantificació de l'energia encara es pot imaginar de manera especulativa. També hi ha conceptes en física que són difícils d'entendre de manera intuïtiva. En el macrocosmos, el moment és el producte de la velocitat i la massa (no oblideu que la velocitat, com el moment, és una magnitud vectorial, és a dir, depèn de la direcció). És gràcies a l'impuls que està clar que una pedra de mida mitjana que vola lentament només deixarà un hematoma si colpeja una persona, mentre que una petita bala disparada a gran velocitat travessà el cos de llarg. En el microcosmos, l'impuls és una quantitat que caracteritza la connexió d'una partícula amb l'espai circumdant, així com la seva capacitat per moure's i interactuar amb altres partícules. Aquest últim depèn directament de l'energia. Així, queda clar que la quantificació de l'energia i el moment d'una partícula han d'estar interconnectades. A més, la constant h, que denota la part més petita possible d'un fenomen físic i mostra la discreció de les quantitats, s'inclou a la fórmula ienergia i impuls de les partícules al nanomón. Però hi ha un concepte encara més llunyà de la consciència intuïtiva: el moment de l'impuls. Es refereix als cossos en rotació i indica quina massa i amb quina velocitat angular gira. Recordeu que la velocitat angular indica la quantitat de rotació per unitat de temps. El moment angular també és capaç d'indicar com es distribueix la substància d'un cos en rotació: els objectes amb la mateixa massa, però concentrats prop de l'eix de rotació o a la perifèria, tindran un moment angular diferent. Com probablement el lector ja endevina, en el món de l'àtom, l'energia del moment angular es quantifica.
Quàntic i làser
La influència del descobriment de la discreció de l'energia i altres quantitats és òbvia. Un estudi detallat del món només és possible gràcies al quàntic. Els mètodes moderns d'estudi de la matèria, l'ús de diversos materials i fins i tot la ciència de la seva creació són una continuació natural de la comprensió del que és la quantificació d'energia. El principi de funcionament i l'ús d'un làser no és una excepció. En general, el làser consta de tres elements principals: el fluid de treball, el bombeig i el mirall reflector. El fluid de treball s'escull de tal manera que hi hagi dos nivells relativament propers per als electrons. El criteri més important per a aquests nivells és la vida útil dels electrons sobre ells. És a dir, quant de temps un electró és capaç de mantenir-se en un estat determinat abans de passar a una posició més baixa i més estable. Dels dos nivells, el superior hauria de ser el de més vida. A continuació, el bombeig (sovint amb una làmpada convencional, de vegades amb una làmpada infraroja) dóna els electronsprou energia perquè tots es reuneixin al nivell superior d'energia i s'acumulin allí. Això s'anomena població de nivell invers. A més, un electró passa a un estat inferior i més estable amb l'emissió d'un fotó, la qual cosa provoca una ruptura de tots els electrons cap avall. La particularitat d'aquest procés és que tots els fotons resultants tenen la mateixa longitud d'ona i són coherents. Tanmateix, el cos de treball, per regla general, és bastant gran i s'hi generen fluxos dirigits en diferents direccions. El paper del mirall reflector és filtrar només aquells corrents de fotons que es dirigeixen en una direcció. Com a resultat, la sortida és un feix intens i estret d'ones coherents de la mateixa longitud d'ona. Al principi, es considerava possible només en estat sòlid. El primer làser tenia un robí artificial com a mitjà de treball. Ara hi ha làsers de tot tipus i tipus: en líquids, gasos i fins i tot en reaccions químiques. Com veu el lector, el paper principal en aquest procés el juga l'absorció i emissió de llum per part de l'àtom. En aquest cas, la quantificació d'energia és només la base per descriure la teoria.
Llum i electron
Recordem que la transició d'un electró en un àtom d'una òrbita a una altra va acompanyada d'emissió o absorció d'energia. Aquesta energia apareix en forma de quàntica de llum o de fotó. Formalment, un fotó és una partícula, però es diferencia d' altres habitants del nanomón. Un fotó no té massa, però sí impuls. Això va ser provat pel científic rus Lebedev el 1899, demostrant clarament la pressió de la llum. Un fotó només existeix en moviment i la seva velocitatigual a la velocitat de la llum. És l'objecte més ràpid possible del nostre univers. La velocitat de la llum (denotada estàndard amb la petita "c") llatina és d'uns tres-cents mil quilòmetres per segon. Per exemple, la mida de la nostra galàxia (no la més gran en termes espacials) és d'uns cent mil anys llum. En xocar amb la matèria, el fotó li dóna la seva energia completament, com si es dissolgués en aquest cas. L'energia d'un fotó que s'allibera o absorbeix quan un electró es mou d'una òrbita a una altra depèn de la distància entre les òrbites. Si és petita, s'emet radiació infraroja amb poca energia, si és gran s'obté l'ultraviolat.
Raigs X i radiació gamma
L'escala electromagnètica després de l'ultraviolat conté raigs X i radiació gamma. En general, es superposen en longitud d'ona, freqüència i energia en un rang força ampli. És a dir, hi ha un fotó de raigs X amb una longitud d'ona de 5 picòmetres i un fotó gamma amb la mateixa longitud d'ona. Només es diferencien en la manera com són rebuts. Els raigs X es produeixen en presència d'electrons molt ràpids, i la radiació gamma només s'obté en els processos de desintegració i fusió dels nuclis atòmics. Els raigs X es divideixen en suaus (utilitzant-los per mostrar-los a través dels pulmons i els ossos d'una persona) i durs (normalment només es necessiten amb finalitats industrials o d'investigació). Si accelereu l'electró amb molta força i després el desaccelereu bruscament (per exemple, dirigint-lo a un cos sòlid), aleshores emetrà fotons de raigs X. Quan aquests electrons xoquen amb la matèria, els àtoms objectiu esclatenelectrons de les capes inferiors. En aquest cas, els electrons de les capes superiors ocupen el seu lloc, i també emeten raigs X durant la transició.
Els quants gamma es produeixen en altres casos. Els nuclis dels àtoms, tot i que estan formats per moltes partícules elementals, també són de mida reduïda, la qual cosa significa que es caracteritzen per la quantificació d'energia. La transició dels nuclis d'un estat excitat a un estat inferior va acompanyada precisament de l'emissió de raigs gamma. Qualsevol reacció de desintegració o fusió dels nuclis té lloc, inclosa amb l'aparició de fotons gamma.
Reacció nuclear
Una mica més amunt hem esmentat que els nuclis atòmics també obeeixen les lleis del món quàntic. Però hi ha substàncies a la natura amb nuclis tan grans que es tornen inestables. Tendeixen a descompondre's en components més petits i més estables. Aquests, com segurament ja endevina el lector, inclouen, per exemple, el plutoni i l'urani. Quan el nostre planeta es va formar a partir d'un disc protoplanetari, tenia una certa quantitat de substàncies radioactives. Amb el pas del temps, van anar decaint, convertint-se en altres elements químics. Tot i així, una certa quantitat d'urani no degradat ha sobreviscut fins als nostres dies, i per la seva quantitat es pot jutjar, per exemple, l'edat de la Terra. Per als elements químics que tenen radioactivitat natural, hi ha una característica com la vida mitjana. Aquest és el període de temps durant el qual el nombre d'àtoms restants d'aquest tipus es reduirà a la meitat. La vida mitjana del plutoni, per exemple, es produeix en vint-i-quatre mil anys. Tanmateix, a més de la radioactivitat natural, també n'hi ha forçada. Quan es bombardeja amb partícules alfa pesades o neutrons lleugers, els nuclis dels àtoms es trenquen. En aquest cas, es distingeixen tres tipus de radiacions ionitzants: partícules alfa, partícules beta i raigs gamma. La desintegració beta fa que la càrrega nuclear canviï en un. Les partícules alfa prenen dos positrons del nucli. La radiació gamma no té càrrega i no és desviada per un camp electromagnètic, però té el poder de penetració més alt. La quantificació d'energia es produeix en tots els casos de desintegració nuclear.
Guerra i pau
Làsers, raigs X, l'estudi de sòlids i estrelles: tot això són aplicacions pacífiques del coneixement sobre els quants. Tanmateix, el nostre món està ple d'amenaces i tothom busca protegir-se. La ciència també serveix per a propòsits militars. Fins i tot un fenomen tan purament teòric com la quantificació de l'energia s'ha posat en guàrdia del món. La definició de la discreció de qualsevol radiació, per exemple, va formar la base de les armes nuclears. Per descomptat, només hi ha algunes de les seves aplicacions de combat: probablement el lector recordi Hiroshima i Nagasaki. Tots els altres motius per prémer el cobejat botó vermell eren més o menys pacífics. A més, sempre hi ha la qüestió de la contaminació radioactiva del medi ambient. Per exemple, el període de semidesintegració del plutoni, indicat més amunt, fa que el paisatge en el qual entra aquest element sigui inutilitzable durant molt de temps, gairebé una època geològica.
Aigua i cables
Tornem a l'ús pacífic de les reaccions nuclears. Estem parlant, és clar, de la generació d'electricitat per fissió nuclear. El procés té aquest aspecte:
Al nucliAl reactor, primer apareixen neutrons lliures i després xoquen amb un element radioactiu (normalment un isòtop de l'urani), que pateix una desintegració alfa o beta.
Per evitar que aquesta reacció entri en una fase incontrolada, el nucli del reactor conté els anomenats moderadors. Per regla general, es tracta de barres de grafit, que absorbeixen molt bé els neutrons. Si n'ajusteu la longitud, podeu controlar la velocitat de reacció.
Com a resultat, un element es converteix en un altre i s'allibera una quantitat increïble d'energia. Aquesta energia és absorbida per un recipient ple d'aigua anomenada pesada (en lloc d'hidrogen a les molècules de deuteri). Com a resultat del contacte amb el nucli del reactor, aquesta aigua està fortament contaminada amb productes de desintegració radioactiu. L'eliminació d'aquesta aigua és el problema més gran de l'energia nuclear actualment.
El segon es col·loca al primer circuit d'aigua, el tercer es col·loca al segon. L'aigua del tercer circuit ja és segura d'utilitzar, i és ella qui fa girar la turbina, que genera electricitat.
Malgrat un nombre tan gran d'intermediaris entre els nuclis generadors directament i el consumidor final (no oblidem les desenes de quilòmetres de cables que també perden energia), aquesta reacció proporciona una potència increïble. Per exemple, una central nuclear pot subministrar electricitat a tota una àrea amb moltes indústries.
