Kvantování energie elektronu v atomu. Způsob výroby energie v reaktoru pomalými neutrony

Tento článek hovoří o tom, co kvantování energie a význam tohoto jevu je moderní vědy. Ukazuje historii objevu diskrétnosti energie, a také prokázal rozsah kvantovaných atomů.

Konec fyziky

Na konci devatenáctého století, dilema vědců: tehdejší stávající úroveň technologie, všechny možné fyzikální zákony byly objeveny, je popsáno a studoval. Studenti, kteří měli vysoce vyvinuté schopnosti v přírodních vědách, učitel nedoporučuje volit fyziku. Oni věřili, že oslavil již není možné, tam byla jen rutinní práci pro studium malých drobných detailů. Je vhodnější opatrný člověk, ne nadaný. Tento obrázek se však, že je mnohem zábavnější byl objev dal příležitost k zamyšlení. Všechno to začalo s jednoduchým rozporů. Za prvé, se ukázalo, že světlo je ne zcela pevné látky za určitých podmínek, spalování vodíku vlevo na štítku s poznávací značkou řádků místo pouze na jednom místě. Dále bylo zjištěno, že spektra helia měl více linek než vodík spekter. Pak bylo zjištěno, že cesta z jedné hvězdy se liší od ostatních. A čistý zvědavost nucen vědci ručně dát jednu zkušenost za sebou při hledání odpovědí na otázky. Na komerční využití jejich objevů, které dosud nenapadlo.

Planck a kvantová

Naštěstí pro nás, tento průlom ve fyzice byl doprovázen rozvojem matematiky. Vzhledem k tomu, vysvětlení toho, co se děje zapadají do neuvěřitelně složité vzorce. V roce 1900, Maks Plank, pracoval na teorii záření absolutně černého tělesa, zjistili, že energie je quantized. Stručně nám říkají o významu tohoto tvrzení je poměrně jednoduchý. Jakýkoliv elementární částice mohou být pouze v některých specifických podmínkách. Pokud způsobují hrubý model čítač může zobrazit takové stavy 1, 3, 8, 13, 29, 138. Všechny ostatní hodnoty nejsou k dispozici, mezi nimi. Důvody pro toto budeme odhalí později. Nicméně, pokud se ponoříte do příběhu o tomto objevu, je třeba poznamenat, že vědec považován za energie kvantování do konce života je jen pohodlné matematický trik, není obdařen vážné fyzickém smyslu.

Wave a hmotnost

Na začátku dvacátého století byl prosycen objevy související s svět elementárních částic. Ale největší záhadou je následující paradox: v některých případech, částice se chovají jako objekty s hmotností (a tedy hybnosti), a některé z nich - jako vlna. Po dlouhé a trvalé spory došel k závěru, nepravděpodobné: elektrony, protony a neutrony mají tyto vlastnosti současně. Tento jev se nazývá vlna-dualita částečky (v řeči ruských vědců před dvěma sty lety tělísko s názvem částic). Tak, elektron je určitá hmotnost, jak to bylo rozmazané vlnou určité frekvenci. Elektronický který se otáčí kolem atomového jádra, plynule ukládá vlny na sebe. V důsledku toho, pouze v určitých vzdálenostech od středu (který závisí na vlnové délce), elektronové vlna rotuje, nejsou navzájem ruší. K tomu dochází, když se uložení „hlavu“ elektronového vlny na jeho „ocas“ výšek se shodují s maxim a minim - minima. To vysvětluje kvantování energie atomu, který je, ve kterém může být přítomnost dobře definovaných drahách elektronů.

Sférická nanokon ve vakuu

Nicméně reálné systémy jsou neuvěřitelně složité. Dodržování logiku popsaný výše, může být dále pochopen systém elektronové obíhá na vodík a hélium. Nicméně, od té doby potřebuje spíše složitých výpočtů. Chcete-li se dozvědět, jak chápat moderní studenti učí kvantování energie částice v potenciálové jámě. Chcete-li začít, vyberte si ideální tvar jámy a jednoho modelu elektronů. K vyřešení těchto Schrödinger rovnice jsou energetické hladiny, při němž se elektron může být. Poté, co se učí dívat se závislostí, zavedení více proměnných: šířce a hloubce vrtu, energie a frekvence elektronu ztrácí určitost, zvyšování složitosti rovnic. Dále tvar jáma se změní (např., Je čtvercový nebo ozubený profil, okraje ztratí svou symetrie), se vyjme hypotetické elementární částice s požadovanými vlastnostmi. A teprve pak se naučit řešit problémy, ve kterých se zářivé energie kvantování reálných atomů a ještě složitější systémy.

Impulse hybnost

Nicméně úroveň energie, například elektron - je více či méně jasný hodnotu. Vše v jedné cestě nebo jiný, ale zdá se, že čím vyšší je energie ústředního vytápění baterie, čím vyšší je teplota v bytě. V souladu s tím, kvantování energie je stále ještě možné představit si mysl. Tam jsou také znalosti fyziky, které tvoří smysl intuitivně obtížné. Hybnost je produkt makro rychlost k zemi (zapomínat, že rychlost a hybnost obou - vektorové veličiny, tj. Nezávisle na směru). Je to způsobeno tím impuls je zřejmé, že průměrná hodnota pomalu letící kámen nech modřinu, pokud se dostanou do muže, pak se jako malá kulička, vypálil při vysoké rychlosti, láme do celého těla. Ve stejném mikro impulzu - to je takové množství, které charakterizuje vztah částice s okolním prostorem, jakož i jeho vlastnost pohybovat a komunikovat s ostatními částicemi. Ta je přímo závislá na energii. Takže je zřejmé, že kvantování energie a hybnosti částice musí být propojeny. Kromě toho konstanta h, což ukazuje na nejnižší možnou část fyzikálního jevu a zobrazuje diskrétní hodnoty zahrnuto ve složení a energii a hybnost částic v nanosvěta. Ale je tu koncept ještě vzdálenější od intuitivní povědomí - hybnosti. To se odkazuje na rotujících těles a prostředky, co hmotnost a rotující úhlovou rychlost. Připomeňme, úhlová rychlost označuje velikost otáčení za jednotku času. Točivý moment je také schopen hlásit metodu přidělování rotačního tělesa látky: objekty se stejnou hmotou, ale střed kolem osy otáčení, nebo na obvodu bude mít odlišnou moment hybnosti. Jako čtenář pravděpodobně uhodli, v atomovém světě je energetická kvantování momentu hybnosti.

Kvantová a laserová

Dopad otevření diskrétní energie a dalších veličin z pochopitelných. Podrobnou studii na světě je možné jen díky kvantové. Moderní metody studia materiálu, použití různých materiálů a dokonce i věda k jejich vytvoření - přirozené rozšíření porozumět tomu, co energie kvantování. Princip provozu a použití laseru - není výjimkou. Obecně platí, že laser se skládá ze tří základních částí: pracovní kapaliny a čerpadlo reflektoru zrcadla. Pracovní tekutina je zvolena tak, že existují dvě relativně blízko k úrovni pro elektrony. Nejdůležitějším kritériem pro tyto úrovně je životnost elektronů na nich. To je, jak moc elektron je schopen přežít v určitém stavu, než jít do nižší a stabilní poloze. Ze dvou úrovních by měly být více trvanlivý horní. Pak čerpání (často - standardní žárovky, někdy - infračervené) dává elektrony dostatečnou energii, aby všechny z nich získané na horní úrovni energie a akumulován. Tento jev se nazývá úrovně populace inverze. Dále, některé jeden elektron pohybuje na nižší a ustáleném stavu s emisí fotonu, což způsobuje narušení dolů elektronů. Charakteristickým rysem tohoto procesu je, že všechny fotony jsou takto získané mají stejnou vlnovou délku a koherentní. Nicméně, pracovní tekutina je obvykle dostatečně velký, a to generuje toky směřující do různých směrů. Role odrazového zrcadla je odfiltrovat pouze ty proudy fotonů, které mají stejný směr. Výsledkem je, že výstup je úzký intenzivní paprsek koherentních vln stejné vlnové délce. Na první pohled to byla myšlenka možný pouze v pevné látce. První laser byl boule jako pracovní tekutiny. Nyní máme k dispozici lasery všech druhů a typů - kapaliny, plyn, a dokonce i chemické reakce. Vzhledem k tomu, čtenář může vidět, hlavní roli v tomto procesu hraje absorpci a emisi světla atomu. kvantování energie je v tomto případě pouze základem pro popisující teorii.

Lehké a elektron

Připomeňme, že přechod elektronu v atomu z jedné oběžné dráhy do druhé je doprovázen buď emisí nebo absorpcí energie. Tato energie se jeví jako foton světla, nebo fotonu. Formálně foton je částice, ale na druhé straně obyvatele nanosvěta je odlišná. Foton nemá hmoty, ale má spád. On to dokázal ještě ruský vědec Lebedev v roce 1899, což jasně ukazuje tlak světla. Photon existuje pouze v pohybu a jeho rychlost je rychlost světla. Jedná se o nejrychlejší v našem vesmíru objektu. Rychlost světla (obvykle označeny malým latinského „c“) je asi 300.000 km za sekundu. Například, velikost naší galaxie (není příliš velká na kosmických standardů) je asi sto tisíc světelných let. Tváří v tvář této záležitosti, foton mu dává jeho sílu úplně, jako by se rozpustí v tomto. Energie fotonu, který se uvolňuje nebo absorbován v přechodu elektronu z jedné oběžné dráhy do druhé, závisí na vzdálenosti mezi oběžnými drahami. Je-li malá - vyniká infračervené paprsky s nízkou energií, pokud velké - dostat ultrafialové.

Rentgenové paprsky a paprsky gama

Elektromagnetické rozsah po ultrafialové zahrnuje rentgenové a gama záření. Obecně jsou vlnová délka, frekvence a energie se vzájemně přesahují v poměrně širokém rozmezí. To znamená, že je X-ray foton s vlnovou délkou 5 pikometrů a gama fotonů o stejné vlnové délce. Liší se jen ve způsobu přípravy. Rentgen se vyskytuje v přítomnosti velmi rychlých elektronů, a gama záření se dosáhne pouze v procesech rozpadu a koalescence jader. Rentgen je rozdělena do mírné (pomocí průsvitných lidské plíce a kosti) a tvrdý (obvykle nutné pouze pro průmyslové nebo výzkumné účely). V případě velmi silně zrychlilo elektrony, a pak se náhle zpomalit jeho (např zasláním pevná látka), bude vyzařovat rentgenové fotony. V srážkách těchto elektronů s látkou cílových atomů, elektrony se vytáhl ze spodní skořepiny. Elektrony horní skořepiny své místo, přechod také emitující rentgenové záření.

Gama záření se vyskytují v ostatních případech. Jádra atomů, i přesto, že se skládají z mnoha elementárních částic, se také vyznačuje malými rozměry, a proto mají sklon k energetické kvantování. Přechod z jader excitovaného stavu na nižší, vpravo, a doprovázen emisí záření gama. Každý kolaps reakce nebo jaderné fúze probíhá, včetně vzniku gama fotonů.

jaderná reakce

Mírně výše, jsme se zmínili, že atomová jádra jsou také předmětem zákony kvantového světa. Ale tam jsou přirozeně se vyskytující látky, jako velká jádra, ale nestabilní. Mají tendenci se dělí na menší a robustních komponent. Ty, jak se čtenář asi tušíte, jsou, například, plutonia a uranu. Když tvořil naše planeta z protoplanetární disk, došlo k určité množství radioaktivních látek. Vzhledem k tomu, že v průběhu času se rozkládal, transformovány do jiných chemických prvků. Zatím k přežili několik nondecayed uranu, a jejich výše může být posuzována, například na stáří země. Pro chemické prvky, které mají přirozené radioaktivity, jsou tyto vlastnosti jako Biologický poločas. To je doba, po kterou bude polovinu zbývající počet atomů tohoto druhu. Poločas rozpadu plutonia, například, tam je dvacet čtyři tisíci lety. Nicméně, kromě přirozené radioaktivity, tam je také nucen. Pokud se bombardují těžké částice alfa nebo neutronové lehké atomová jádra, které prasknout. V tomto případě existují tři druhy ionizačního záření částic alfa, beta částice, záření gama. Beta rozpad jader vede ke změně náboje jednotky. Alfa částice se jádra dvě pozitrony. Gama záření nemá žádný náboj a elektromagnetické pole se neodchýlí, ale má nejvyšší pronikavou moc. kvantování energie se vyskytuje ve všech případech, jádro.

Válka a mír

Lasery, rentgenovým paprskům, studium pevných látek a hvězdy - všechny mírové aplikace poznatků o kvant. Nicméně, náš svět je plný nebezpečí, a každý chce, aby se ochránili. Science slouží vojenským účelům taky. On i hlídače dát světu čistě teoretický fenomén jako energie kvantování. Určité diskrétní jakékoliv záření, například, tvořily základ jaderných zbraní. Samozřejmě, že její využití časově rozlišené bojové jednotky - pravděpodobné, že čtenář bude pamatovat Hirošimu a Nagasaki. Všechny ostatní důvody, stiskněte červené tlačítko ochraňoval to bylo víceméně klidný. Jak to je vždy otázka radioaktivní kontaminace životního prostředí. Například poločas rozpadu plutonia výše uvedeného činí krajinu, ve které tento prvek dostává nevhodné pro použití na velmi dlouhou dobu, téměř geologické epochy.

Voda a dráty

Vraťme se k mírovému využití jaderné reakce. To samozřejmě, mluvit o výrobě elektrické energie pomocí jaderného štěpení. Tento proces vypadá takto:

Jádro reaktoru na počátku jako volné neutrony a pak narazí radioaktivní prvek (typicky uranu), která prochází alfa nebo beta rozpad.

K této reakční neprošel v kroku nekontrolované, jádro reaktoru obsahuje takzvané retardéry. Je pravidlem, že je vyroben z grafitových tyčí, které jsou velmi dobře absorbovat neutrony. Úpravou jejich délky, je možné kontrolovat rychlost reakce.

Výsledkem je, že jeden prvek je transformován do jiného, neuvěřitelné množství energie uvolněné. Tato energie je absorbována Zásobník s tzv těžké vody (místo vodíku molekuly deuteria). V důsledku kontaktu s aktivní zóny reaktoru, aby se voda silně znečištěné produkty radioaktivního rozpadu. Že recyklace tato voda je největším problémem jaderné energetiky v tomto okamžiku.

V prvním vodního okruhu je umístěn druhý ve druhé - třetí. Voda třetího okruhu je již bezpečné použití, a že otočí turbíny, která vyrábí elektřinu.

Navzdory tak velkému počtu zprostředkovatelů mezi energií uvolněnou přímo jádra a koncovým uživatelem (nesmíme zapomenout na několik desítek kilometrů drátů, které také ztrátový výkon), tato reakce dává neuvěřitelnou sílu. Například jaderná elektrárna může dodávat elektřinu do celého areálu s řadou průmyslových odvětví.