Dit artikel gaat over wat energiekwantisatie is en welke betekenis dit fenomeen heeft voor de moderne wetenschap. De geschiedenis van de ontdekking van de discretie van energie wordt gegeven, evenals de toepassingsgebieden van de kwantisering van atomen.
Einde van de natuurkunde
Aan het einde van de negentiende eeuw stonden wetenschappers voor een dilemma: op het toenmalige niveau van technologische ontwikkeling werden alle mogelijke natuurwetten ontdekt, beschreven en bestudeerd. Leerlingen met hoogontwikkelde vaardigheden op het gebied van natuurwetenschappen werden door docenten niet geadviseerd om voor natuurkunde te kiezen. Ze geloofden dat het niet langer mogelijk was om er beroemd in te worden, er was alleen routinewerk om kleine details te bestuderen. Dit was meer geschikt voor een attent persoon dan voor een begaafde. De foto, die meer een vermakelijke ontdekking was, gaf echter aanleiding tot nadenken. Het begon allemaal met simpele inconsistenties. Om te beginnen bleek dat het licht niet helemaal continu was: onder bepaalde omstandigheden liet brandende waterstof een reeks lijnen op de fotografische plaat achter in plaats van een enkele vlek. Verder bleek dat de spectra van heliummeer lijnen dan de spectra van waterstof. Toen werd ontdekt dat het spoor van sommige sterren anders is dan van andere. En pure nieuwsgierigheid dwong de onderzoekers om handmatig de ene ervaring na de andere te plaatsen op zoek naar antwoorden op vragen. Ze dachten niet na over de commerciële toepassing van hun ontdekkingen.
Planck en quantum
Gelukkig voor ons ging deze doorbraak in de natuurkunde gepaard met de ontwikkeling van de wiskunde. Omdat de uitleg van wat er gebeurde in ongelooflijk complexe formules paste. In 1900 ontdekte Max Planck, die werkte aan de theorie van zwarte lichaamsstraling, dat energie wordt gekwantiseerd. Beschrijf kort de betekenis van deze verklaring is vrij eenvoudig. Elk elementair deeltje kan zich alleen in bepaalde specifieke toestanden bevinden. Als we een ruw model geven, kan de teller van dergelijke toestanden de getallen 1, 3, 8, 13, 29, 138 weergeven. En alle andere waarden daartussen zijn ontoegankelijk. De redenen hiervoor zullen we later onthullen. Als je echter in de geschiedenis van deze ontdekking duikt, is het de moeite waard om op te merken dat de wetenschapper zelf, tot het einde van zijn leven, energiekwantisatie slechts als een handige wiskundige truc beschouwde, niet begiftigd met een serieuze fysieke betekenis.
Golf en Massa
Het begin van de twintigste eeuw was vol ontdekkingen met betrekking tot de wereld van elementaire deeltjes. Maar het grote mysterie was de volgende paradox: in sommige gevallen gedroegen de deeltjes zich als objecten met massa (en dienovereenkomstig momentum), en in sommige gevallen als een golf. Na lang en koppig debat moest ik tot een ongelooflijke conclusie komen: elektronen, protonen enneutronen hebben deze eigenschappen tegelijkertijd. Dit fenomeen werd corpusculaire-golf-dualisme genoemd (in de toespraak van Russische wetenschappers tweehonderd jaar geleden werd een deeltje een bloedlichaampje genoemd). Een elektron heeft dus een bepaalde massa, alsof het in een golf van een bepaalde frequentie is uitgesmeerd. Een elektron dat rond de kern van een atoom draait, plaatst zijn golven eindeloos op elkaar. Alleen op bepaalde afstanden van het centrum (die afhankelijk zijn van de golflengte) heffen de roterende elektronengolven elkaar dus niet op. Dit gebeurt wanneer, wanneer de "kop" van een golfelektron op zijn "staart" wordt gelegd, de maxima samenvallen met de maxima en de minima samenvallen met de minima. Dit verklaart de kwantisering van de energie van een atoom, dat wil zeggen de aanwezigheid van strikt gedefinieerde banen erin, waarop een elektron kan bestaan.
Sferisch nanopaard in vacuüm
Echte systemen zijn echter ongelooflijk complex. Door de hierboven beschreven logica te gehoorzamen, kan men nog steeds het systeem van banen van elektronen in waterstof en helium begrijpen. Er zijn echter al meer complexe berekeningen nodig. Om ze te leren begrijpen, bestuderen moderne studenten de kwantisering van deeltjesenergie in een potentiële bron. Om te beginnen worden een ideaal gevormde put en een enkel modelelektron gekozen. Voor hen lossen ze de Schrödinger-vergelijking op, vinden ze de energieniveaus waarop het elektron kan zijn. Daarna leren ze afhankelijkheden te zoeken door steeds meer variabelen in te voeren: de breedte en diepte van de put, de energie en frequentie van het elektron verliezen hun zekerheid, waardoor de vergelijkingen ingewikkelder worden. Verderde vorm van de put verandert (het wordt bijvoorbeeld vierkant of gekarteld in profiel, de randen verliezen hun symmetrie), hypothetische elementaire deeltjes met gespecificeerde kenmerken worden genomen. En pas dan leren ze problemen op te lossen waarbij de stralingsenergie van echte atomen en zelfs complexere systemen wordt gekwantiseerd.
Momentum, impulsmoment
Het energieniveau van bijvoorbeeld een elektron is echter een min of meer begrijpelijke hoeveelheid. Op de een of andere manier stelt iedereen zich voor dat de hogere energie van de cv-batterijen overeenkomt met een hogere temperatuur in het appartement. Dienovereenkomstig kan de kwantisering van energie nog steeds speculatief worden voorgesteld. Er zijn ook concepten in de natuurkunde die intuïtief moeilijk te begrijpen zijn. In de macrokosmos is momentum het product van snelheid en massa (vergeet niet dat snelheid, net als momentum, een vectorgrootheid is, dat wil zeggen, het hangt af van richting). Het is dankzij het momentum dat het duidelijk is dat een langzaam vliegende middelgrote steen alleen een blauwe plek achterlaat als hij een persoon raakt, terwijl een kleine kogel die met grote snelheid wordt afgevuurd het lichaam door en door zal doorboren. In de microkosmos is momentum zo'n grootheid die de verbinding van een deeltje met de omringende ruimte kenmerkt, evenals zijn vermogen om te bewegen en te interageren met andere deeltjes. Dit laatste is direct afhankelijk van de energie. Het wordt dus duidelijk dat de kwantisering van energie en momentum van een deeltje met elkaar verbonden moeten zijn. Bovendien is de constante h, die het kleinst mogelijke deel van een fysiek fenomeen aangeeft en de discretie van hoeveelheden aangeeft, opgenomen in de formule enenergie en momentum van deeltjes in de nanowereld. Maar er is een concept dat nog verder verwijderd is van intuïtief bewustzijn - het moment van impuls. Het verwijst naar roterende lichamen en geeft aan welke massa en met welke hoeksnelheid roteert. Bedenk dat de hoeksnelheid de hoeveelheid rotatie per tijdseenheid aangeeft. Het impulsmoment kan ook vertellen hoe de substantie van een roterend lichaam wordt verdeeld: objecten met dezelfde massa, maar geconcentreerd nabij de rotatie-as of aan de periferie, zullen een ander impulsmoment hebben. Zoals de lezer waarschijnlijk al vermoedt, wordt in de wereld van het atoom de energie van het impulsmoment gekwantiseerd.
Quantum en laser
De invloed van de ontdekking van de discretie van energie en andere grootheden is duidelijk. Een gedetailleerde studie van de wereld is alleen mogelijk dankzij het kwantum. Moderne methoden om materie te bestuderen, het gebruik van verschillende materialen en zelfs de wetenschap van hun creatie zijn een natuurlijke voortzetting van het begrip van wat energiekwantisatie is. Het werkingsprincipe en het gebruik van een laser is geen uitzondering. In het algemeen bestaat de laser uit drie hoofdelementen: de werkvloeistof, pomp en reflecterende spiegel. De werkvloeistof is zo gekozen dat er twee relatief dicht bij elkaar liggende niveaus voor elektronen bestaan. Het belangrijkste criterium voor deze niveaus is de levensduur van elektronen erop. Dat wil zeggen, hoe lang een elektron het in een bepaalde toestand kan volhouden voordat het naar een lagere en stabielere positie gaat. Van de twee niveaus zou de bovenste de langste moeten zijn. Dan pompen (vaak met een conventionele lamp, soms met een infraroodlamp) de elektronengenoeg energie voor hen allemaal om zich op het hoogste energieniveau te verzamelen en zich daar op te hopen. Dit wordt populatie op het omgekeerde niveau genoemd. Verder gaat een elektron over in een lagere en stabielere toestand met de emissie van een foton, wat een afbraak van alle elektronen naar beneden veroorzaakt. De bijzonderheid van dit proces is dat alle resulterende fotonen dezelfde golflengte hebben en coherent zijn. Het werklichaam is echter in de regel vrij groot en er worden stromen in gegenereerd die in verschillende richtingen zijn gericht. De rol van de reflecterende spiegel is om alleen die fotonenstromen uit te filteren die in één richting zijn gericht. Als resultaat is de output een smalle, intense bundel van coherente golven van dezelfde golflengte. Aanvankelijk werd dit alleen in vaste toestand mogelijk geacht. De eerste laser had een kunstmatige robijn als werkmedium. Nu zijn er allerlei soorten lasers - op vloeistoffen, gassen en zelfs op chemische reacties. Zoals de lezer ziet, wordt de hoofdrol in dit proces gespeeld door de absorptie en emissie van licht door het atoom. In dit geval is energiekwantisatie slechts de basis voor het beschrijven van de theorie.
Licht en elektron
Bedenk dat de overgang van een elektron in een atoom van de ene baan naar de andere gepaard gaat met emissie of absorptie van energie. Deze energie verschijnt in de vorm van een lichtkwantum of een foton. Formeel is een foton een deeltje, maar het verschilt van andere bewoners van de nanowereld. Een foton heeft geen massa, maar wel momentum. Dit werd in 1899 bewezen door de Russische wetenschapper Lebedev, waarmee hij duidelijk de druk van licht aantoonde. Een foton bestaat alleen in beweging en zijn snelheidgelijk aan de lichtsnelheid. Het is het snelst mogelijke object in ons universum. De snelheid van het licht (standaard aangegeven met de kleine Latijnse "c") is ongeveer driehonderdduizend kilometer per seconde. De grootte van onze melkweg (niet de grootste in termen van ruimte) is bijvoorbeeld ongeveer honderdduizend lichtjaar. In botsing met materie geeft het foton het zijn energie volledig, alsof het in dit geval oplost. De energie van een foton die vrijkomt of wordt geabsorbeerd wanneer een elektron van de ene baan naar de andere gaat, hangt af van de afstand tussen de banen. Als het klein is, wordt infraroodstraling met lage energie uitgezonden, als het groot is, wordt ultraviolet verkregen.
Röntgen- en gammastraling
De elektromagnetische schaal na ultraviolet bevat röntgen- en gammastraling. Over het algemeen overlappen ze in golflengte, frequentie en energie in een vrij groot bereik. Dat wil zeggen, er is een röntgenfoton met een golflengte van 5 picometer en een gammafoton met dezelfde golflengte. Ze verschillen alleen in de manier waarop ze worden ontvangen. Röntgenstralen komen voor in de aanwezigheid van zeer snelle elektronen en gammastraling wordt alleen verkregen in de processen van verval en fusie van atoomkernen. Röntgenstraling is verdeeld in zacht (gebruikt om door de longen en botten van een persoon te laten zien) en hard (meestal alleen nodig voor industriële of onderzoeksdoeleinden). Als je het elektron heel sterk versnelt en het vervolgens sterk vertraagt (bijvoorbeeld door het in een vast lichaam te richten), dan zendt het röntgenfotonen uit. Wanneer zulke elektronen met materie botsen, breken de doelatomen uitelektronen uit lagere schillen. In dit geval nemen de elektronen van de bovenste schillen hun plaats in en zenden ze tijdens de overgang ook röntgenstralen uit.
Gamma-quanta komen in andere gevallen voor. De kernen van atomen, hoewel ze uit veel elementaire deeltjes bestaan, zijn ook klein van formaat, wat betekent dat ze worden gekenmerkt door energiekwantisatie. De overgang van kernen van een aangeslagen toestand naar een lagere toestand gaat precies gepaard met de emissie van gammastraling. Elke reactie van verval of fusie van kernen vindt plaats, ook met het verschijnen van gammafotonen.
Kernreactie
Een beetje hoger vermeldden we dat atoomkernen ook de wetten van de kwantumwereld gehoorzamen. Maar er zijn stoffen in de natuur met zulke grote kernen dat ze onstabiel worden. Ze hebben de neiging om uiteen te vallen in kleinere en stabielere componenten. Deze omvatten, zoals de lezer waarschijnlijk al vermoedt, bijvoorbeeld plutonium en uranium. Toen onze planeet werd gevormd uit een protoplanetaire schijf, bevatte deze een bepaalde hoeveelheid radioactieve stoffen. Na verloop van tijd vervielen ze en veranderden ze in andere chemische elementen. Maar toch is er tot op de dag van vandaag een bepaalde hoeveelheid onvergaan uranium bewaard gebleven, en aan de hoeveelheid ervan kan men bijvoorbeeld de ouderdom van de aarde beoordelen. Voor chemische elementen die natuurlijke radioactiviteit hebben, is er zo'n kenmerk als halfwaardetijd. Dit is de periode waarin het aantal resterende atomen van dit type wordt gehalveerd. De halfwaardetijd van plutonium bijvoorbeeld vindt plaats in vierentwintigduizend jaar. Naast natuurlijke radioactiviteit wordt er echter ook geforceerd. Wanneer ze worden gebombardeerd met zware alfadeeltjes of lichte neutronen, vallen de kernen van atomen uiteen. Hierbij worden drie soorten ioniserende straling onderscheiden: alfadeeltjes, bètadeeltjes, gammastraling. Bèta-verval zorgt ervoor dat de kernlading met één verandert. Alfadeeltjes nemen twee positronen uit de kern. Gammastraling heeft geen lading en wordt niet afgebogen door een elektromagnetisch veld, maar heeft het hoogste doordringende vermogen. Energiekwantisatie vindt plaats in alle gevallen van nucleair verval.
Oorlog en vrede
Lasers, röntgenstralen, de studie van vaste stoffen en sterren - dit zijn allemaal vreedzame toepassingen van kennis over quanta. Onze wereld is echter vol bedreigingen en iedereen probeert zichzelf te beschermen. Wetenschap dient ook militaire doeleinden. Zelfs een puur theoretisch fenomeen als de kwantisering van energie is op de hoede van de wereld gezet. De definitie van de discretie van elke straling vormde bijvoorbeeld de basis van kernwapens. Natuurlijk zijn er maar een paar van zijn gevechtstoepassingen - de lezer herinnert zich waarschijnlijk Hiroshima en Nagasaki. Alle andere redenen om op de felbegeerde rode knop te drukken waren min of meer vredig. Ook is er altijd de kwestie van radioactieve besmetting van het milieu. Zo maakt de hierboven aangegeven halfwaardetijd van plutonium het landschap waarin dit element terechtkomt voor een zeer lange tijd onbruikbaar, bijna een geologisch tijdperk.
Water en draden
Laten we teruggaan naar het vreedzame gebruik van kernreacties. We hebben het natuurlijk over de opwekking van elektriciteit door kernsplitsing. Het proces ziet er als volgt uit:
In de kernIn de reactor verschijnen eerst vrije neutronen en vervolgens raken ze een radioactief element (meestal een isotoop van uranium), dat alfa- of bètaverval ondergaat.
Om te voorkomen dat deze reactie in een ongecontroleerd stadium terechtkomt, bevat de reactorkern zogenaamde moderatoren. In de regel zijn dit grafietstaven, die neutronen zeer goed absorberen. Door hun lengte aan te passen, kunt u de reactiesnelheid volgen.
Als resultaat verandert het ene element in het andere en komt er een ongelooflijke hoeveelheid energie vrij. Deze energie wordt opgenomen door een bak gevuld met zogenaamd zwaar water (in plaats van waterstof in deuteriummoleculen). Door contact met de reactorkern is dit water sterk verontreinigd met radioactieve vervalproducten. Het afvoeren van dit water is momenteel het grootste probleem van kernenergie.
De tweede wordt in het eerste watercircuit geplaatst, de derde in het tweede. Het water van het derde circuit is al veilig te gebruiken, en zij is het die de turbine draait, die elektriciteit opwekt.
Ondanks zo'n groot aantal tussenpersonen tussen de direct genererende kernen en de eindverbruiker (laten we de tientallen kilometers aan draden niet vergeten die ook stroom verliezen), levert deze reactie een ongelooflijk vermogen op. Eén kerncentrale kan bijvoorbeeld elektriciteit leveren aan een heel gebied met veel industrieën.
