מאמר זה מדבר על מהי קוונטיזציה של אנרגיה ואיזו משמעות יש לתופעה זו עבור המדע המודרני. ההיסטוריה של גילוי הדיסקרטיות של האנרגיה ניתנת, כמו גם תחומי היישום של כימות האטומים.
סוף הפיזיקה
בסוף המאה התשע-עשרה, מדענים עמדו בפני דילמה: ברמת הפיתוח הטכנולוגי דאז התגלו, תוארו ונחקרו כל חוקי הפיזיקה האפשריים. לתלמידים שהיו בעלי יכולות מפותחות בתחום מדעי הטבע לא המליצו המורים לבחור בפיזיקה. הם האמינו שכבר אי אפשר להתפרסם בו, יש רק עבודה שגרתית ללימוד פרטים קטנים קטנים. זה התאים יותר לאדם קשוב, ולא למחונן. עם זאת, התמונה, שהייתה יותר תגלית משעשעת, נתנה סיבה לחשוב. הכל התחיל בחוסר עקביות פשוט. מלכתחילה התברר שהאור לא היה רציף לגמרי: בתנאים מסוימים, שריפת מימן הותירה סדרה של קווים על לוח הצילום במקום כתם בודד. בהמשך התברר שיש לספקטרום של הליוםיותר קווים מהספקטרום של מימן. ואז נמצא ששובלם של כמה כוכבים שונה מאחרים. וסקרנות טהורה אילצה את החוקרים לשים ידנית חוויה אחת אחרי השנייה בחיפוש אחר תשובות לשאלות. הם לא חשבו על היישום המסחרי של התגליות שלהם.
Planck and quantum
למרבה המזל, פריצת הדרך הזו בפיזיקה לוותה בהתפתחות המתמטיקה. כי ההסבר על מה שהתרחש השתלב בנוסחאות מורכבות להפליא. בשנת 1900, מקס פלאנק, שעבד על התיאוריה של קרינת הגוף השחור, גילה כי האנרגיה היא כמותית. תאר בקצרה את המשמעות של הצהרה זו היא די פשוטה. כל חלקיק יסודי יכול להיות רק בכמה מצבים ספציפיים. אם ניתן מודל גס, המונה של מדינות כאלה יכול להראות את המספרים 1, 3, 8, 13, 29, 138. וכל הערכים האחרים ביניהם אינם נגישים. את הסיבות לכך נגלה מעט מאוחר יותר. עם זאת, אם אתה מתעמק בהיסטוריה של תגלית זו, ראוי לציין שהמדען עצמו, עד סוף ימיו, ראה שקונטיזציה של אנרגיה היא רק טריק מתמטי נוח, שאינו ניחן במשמעות פיזיקלית רצינית.
Wave and Mass
תחילת המאה העשרים הייתה מלאה בתגליות הקשורות לעולם החלקיקים היסודיים. אבל התעלומה הגדולה הייתה הפרדוקס הבא: בחלק מהמקרים, החלקיקים התנהגו כמו עצמים בעלי מסה (ובהתאם, תנופה), ובמקרים מסוימים, כמו גל. לאחר ויכוח ארוך ועיקש, נאלצתי להגיע למסקנה מדהימה: אלקטרונים, פרוטונים ולנייטרונים יש תכונות אלו בו זמנית. תופעה זו כונתה דואליזם גופי-גל (בנאום של מדענים רוסים לפני מאתיים שנה, חלקיק נקרא גוף). לפיכך, אלקטרון הוא מסה מסוימת, כאילו נמרח לתוך גל בתדר מסוים. אלקטרון שמסתובב סביב גרעין של אטום מציב בלי סוף את הגלים שלו זה על גבי זה. כתוצאה מכך, רק במרחקים מסוימים מהמרכז (התלויים באורך הגל) גלי האלקטרונים, המסתובבים, אינם מבטלים זה את זה. זה קורה כאשר, כאשר ה"ראש" של אלקטרון גל מוצב על ה"זנבו", המקסימום חופפים למקסימום, והמינימום חופפים למינימום. זה מסביר את הקוונטיזציה של האנרגיה של אטום, כלומר נוכחותם של מסלולים מוגדרים בקפדנות בו, שעליהם יכול להתקיים אלקטרון.
סוס ננו כדורי בוואקום
עם זאת, מערכות אמיתיות הן מורכבות להפליא. אם מצייתים להיגיון המתואר לעיל, אפשר עדיין להבין את מערכת מסלולי האלקטרונים במימן והליום. עם זאת, כבר נדרשים חישובים מורכבים נוספים. כדי ללמוד כיצד להבין אותם, סטודנטים מודרניים לומדים את הקוונטיזציה של אנרגיית חלקיקים בבאר פוטנציאלית. מלכתחילה, נבחר באר בצורת אידיאלית ואלקטרון דגם יחיד. עבורם, הם פותרים את משוואת שרדינגר, מוצאים את רמות האנרגיה שבהן האלקטרון יכול להיות. לאחר מכן, הם לומדים לחפש תלות על ידי הכנסת עוד ועוד משתנים: רוחב ועומק הבאר, האנרגיה והתדירות של האלקטרון מאבדים את הוודאות שלהם, ומוסיפים מורכבות למשוואות. נוסףצורת הבור משתנה (לדוגמה, הוא הופך מרובע או משונן בפרופיל, הקצוות שלו מאבדים את הסימטריה שלהם), נלקחים חלקיקים יסודיים היפותטיים עם מאפיינים מוגדרים. ורק אז הם לומדים לפתור בעיות הכרוכות בקוונטיזציה של אנרגיית הקרינה של אטומים אמיתיים ומערכות מורכבות אף יותר.
מומנטום, מומנטום זוויתי
עם זאת, רמת האנרגיה של, נניח, אלקטרון היא כמות מובנת פחות או יותר. כך או אחרת, כולם מדמיינים שהאנרגיה הגבוהה יותר של סוללות ההסקה המרכזית מתאימה לטמפרטורה גבוהה יותר בדירה. בהתאם לכך, ניתן עדיין לדמיין את הקוונטיזציה של האנרגיה באופן ספקולטיבי. ישנם גם מושגים בפיזיקה שקשה להבין באופן אינטואיטיבי. במקרוקוסמוס, התנע הוא מכפלה של מהירות ומסה (אל תשכח שמהירות, כמו התנע, היא גודל וקטור, כלומר תלוי בכיוון). בזכות המומנטום ברור שאבן בגודל בינוני עפה לאט תשאיר חבורה רק אם תפגע באדם, בעוד שכדור קטן שנורה במהירות רבה יפול את הגוף דרך ודרך. במיקרוקוסמוס, המומנטום הוא כמות כזו המאפיינת את החיבור של חלקיק עם המרחב שמסביב, כמו גם את יכולתו לנוע ולקיים אינטראקציה עם חלקיקים אחרים. האחרון תלוי ישירות באנרגיה. לפיכך, מתברר שכימות האנרגיה והתנע של חלקיק חייבת להיות קשורה זו בזו. יתרה מכך, הקבוע h, המציין את החלק הקטן ביותר האפשרי של תופעה פיזיקלית ומראה את הבדידות של הכמויות, נכלל בנוסחה ואנרגיה ומומנטום של חלקיקים בעולם הננו. אבל יש מושג רחוק עוד יותר ממודעות אינטואיטיבית - רגע הדחף. זה מתייחס לגופים מסתובבים ומציין באיזו מסה ובאיזה מהירות זוויתית מסתובב. נזכיר כי המהירות הזוויתית מציינת את כמות הסיבוב ליחידת זמן. התנע הזוויתי מסוגל גם לדעת את האופן שבו מתפזר החומר של גוף מסתובב: עצמים בעלי אותה מסה, אך מרוכזים ליד ציר הסיבוב או בפריפריה, יהיו בעלי תנע זוויתי שונה. כפי שהקורא בוודאי כבר מנחש, בעולם האטום, האנרגיה של התנע הזוויתי מכומדת.
קוואנטום ולייזר
השפעת גילוי הדיסקרטיות של אנרגיה וכמויות אחרות ברורה. מחקר מפורט של העולם אפשרי רק הודות לקוונטים. שיטות מודרניות לחקר החומר, השימוש בחומרים שונים ואפילו מדע יצירתם הם המשך טבעי להבנה מהי קוונטיזציה אנרגטית. עקרון הפעולה והשימוש בלייזר אינו יוצא מן הכלל. באופן כללי, הלייזר מורכב משלושה אלמנטים עיקריים: נוזל העבודה, השאיבה והמראה המשקפת. נוזל העבודה נבחר בצורה כזו שמתקיימות בו שתי רמות קרובות יחסית לאלקטרונים. הקריטריון החשוב ביותר עבור רמות אלו הוא משך החיים של אלקטרונים עליהם. כלומר, כמה זמן אלקטרון מסוגל להחזיק מעמד במצב מסוים לפני שהוא עובר למצב נמוך ויציב יותר. מבין שתי הרמות, העליונה צריכה להיות בעלת החיים הארוכה יותר. ואז שאיבה (לעיתים קרובות עם מנורה קונבנציונלית, לפעמים עם מנורת אינפרא אדום) נותן את האלקטרוניםמספיק אנרגיה כדי שכולם יתאספו ברמת האנרגיה העליונה ויצטברו שם. זה נקרא אוכלוסיה ברמה הפוכה. יתר על כן, איזה אלקטרון אחד עובר למצב נמוך ויציב יותר עם פליטת פוטון, מה שגורם לפירוק של כל האלקטרונים כלפי מטה. הייחודיות של תהליך זה היא שלכל הפוטונים המתקבלים יש אותו אורך גל והם קוהרנטיים. עם זאת, גוף העבודה, ככלל, הוא די גדול, ונוצרים בו זרימות, מכוונות לכיוונים שונים. תפקידה של המראה המשקפת הוא לסנן רק את זרמי הפוטונים המכוונים לכיוון אחד. כתוצאה מכך, הפלט הוא אלומה צרה וחזקה של גלים קוהרנטיים בעלי אותו אורך גל. בהתחלה זה נחשב אפשרי רק במצב מוצק. בלייזר הראשון היה אודם מלאכותי כמדיום עבודה. כיום יש לייזרים מכל הסוגים והסוגים - על נוזלים, גזים, ואפילו על תגובות כימיות. כפי שהקורא רואה, את התפקיד העיקרי בתהליך זה ממלאת הקליטה ופליטת האור על ידי האטום. במקרה זה, קוונטיזציה של אנרגיה היא רק הבסיס לתיאור התיאוריה.
אור ואלקטרון
נזכיר שהמעבר של אלקטרון באטום ממסלול אחד למשנהו מלווה בפליטה או בליעה של אנרגיה. אנרגיה זו מופיעה בצורה של קוונטי של אור או פוטון. פורמלית, פוטון הוא חלקיק, אך הוא שונה משאר התושבים בעולם הננו. לפוטון אין מסה, אבל יש לו תנע. זה הוכח על ידי המדען הרוסי לבדב בשנת 1899, והדגים בבירור את לחץ האור. פוטון קיים רק בתנועה ובמהירות שלושווה למהירות האור. זהו העצם המהיר ביותר ביקום שלנו. מהירות האור (מסומנת באופן סטנדרטי ב"c" הלטיני הקטן) היא כשלוש מאות אלף קילומטרים לשנייה. לדוגמה, גודלה של הגלקסיה שלנו (לא הגדולה ביותר במונחי חלל) הוא כמאה אלף שנות אור. בהתנגשות בחומר, הפוטון נותן לו את האנרגיה שלו לחלוטין, כאילו מתמוסס במקרה זה. האנרגיה של פוטון המשתחררת או נספגת כאשר אלקטרון נע ממסלול אחד למשנהו תלויה במרחק בין המסלולים. אם הוא קטן, נפלטת קרינת אינפרא אדומה בעלת אנרגיה נמוכה, אם היא גדולה מתקבלת אולטרה סגול.
קרינת רנטגן וגמא
הסקאלה האלקטרומגנטית לאחר אולטרה סגול מכילה קרינת רנטגן וקרינת גמא. באופן כללי, הם חופפים באורך הגל, התדירות והאנרגיה בטווח רחב למדי. כלומר, יש פוטון רנטגן עם אורך גל של 5 פיקומטר ופוטון גמא עם אותו אורך גל. הם שונים רק בדרך קבלתם. קרני רנטגן מתרחשות בנוכחות אלקטרונים מהירים מאוד, וקרינת גמא מתקבלת רק בתהליכי ריקבון והיתוך של גרעיני אטום. צילום רנטגן מחולק לרך (באמצעותו להראות דרך הריאות והעצמות של אדם) וקשה (בדרך כלל נדרש רק למטרות תעשייתיות או מחקריות). אם תאיץ את האלקטרון חזק מאוד, ואז תאט אותו בחדות (למשל על ידי הפנייתו לגוף מוצק), אז הוא יפלוט פוטוני רנטגן. כאשר אלקטרונים כאלה מתנגשים בחומר, אטומי המטרה פורצים החוצהאלקטרונים מקליפות תחתונות. במקרה זה, האלקטרונים של הקליפות העליונות תופסים את מקומם, וגם פולטים קרני רנטגן במהלך המעבר.
גמא קוונטות מתרחשות במקרים אחרים. גרעיני האטומים, למרות שהם מורכבים מחלקיקים אלמנטריים רבים, הם גם קטנים בגודלם, מה שאומר שהם מאופיינים בכימות אנרגיה. המעבר של גרעינים ממצב נרגש למצב נמוך יותר מלווה בדיוק בפליטת קרני גמא. כל תגובה של ריקבון או היתוך של גרעינים מתפתחת, לרבות עם הופעת פוטוני גמא.
תגובה גרעינית
קצת יותר גבוה הזכרנו שגם גרעיני אטום מצייתים לחוקי העולם הקוונטי. אבל יש חומרים בטבע עם גרעינים כל כך גדולים שהם הופכים לא יציבים. הם נוטים להתפרק לרכיבים קטנים ויציבים יותר. אלה, כפי שהקורא בוודאי כבר מנחש, כוללים, למשל, פלוטוניום ואורניום. כאשר כוכב הלכת שלנו נוצר מדיסק פרוטופלנטרי, הייתה בו כמות מסוימת של חומרים רדיואקטיביים. עם הזמן, הם התכלו והפכו ליסודות כימיים אחרים. אבל בכל זאת, כמות מסוימת של אורניום לא נרקב שרדה עד היום, ולפי כמותה אפשר לשפוט, למשל, את גיל כדור הארץ. עבור יסודות כימיים שיש להם רדיואקטיביות טבעית, יש מאפיין כזה כמו זמן מחצית חיים. זהו פרק הזמן שבמהלכו יצטמצם בחצי מספר האטומים הנותרים מסוג זה. זמן מחצית החיים של פלוטוניום, למשל, מתרחש בעוד עשרים וארבעה אלף שנה. עם זאת, בנוסף לרדיואקטיביות הטבעית, יש גם מאולץ.כאשר מופצצים בחלקיקי אלפא כבדים או בניוטרונים קלים, גרעיני האטומים מתפרקים. במקרה זה, נבדלים שלושה סוגים של קרינה מייננת: חלקיקי אלפא, חלקיקי בטא, קרני גמא. ריקבון בטא גורם למטען הגרעיני להשתנות באחד. חלקיקי אלפא לוקחים שני פוזיטרונים מהגרעין. לקרינת גמא אין מטען ואינה מוסטת על ידי שדה אלקטרומגנטי, אך היא בעלת הכוח החודר הגבוה ביותר. קוונטיזציה של אנרגיה מתרחשת בכל המקרים של ריקבון גרעיני.
מלחמה ושלום
לייזרים, צילומי רנטגן, חקר מוצקים וכוכבים - כל אלה הם יישומים שלווים של ידע על קוונטות. עם זאת, העולם שלנו מלא באיומים, וכל אחד מבקש להגן על עצמו. המדע משרת גם מטרות צבאיות. אפילו תופעה תיאורטית גרידא כמו קוונטיזציה של אנרגיה הונחה על המשמר של העולם. הגדרת הדיסקרטיות של כל קרינה, למשל, היוותה את הבסיס לנשק גרעיני. כמובן, יש רק מעט מיישומי הלחימה שלו - הקורא כנראה זוכר את הירושימה ונגסאקי. כל שאר הסיבות ללחוץ על הכפתור האדום הנחשק היו שלווים פחות או יותר. כמו כן, תמיד יש את השאלה של זיהום רדיואקטיבי של הסביבה. לדוגמה, זמן מחצית החיים של פלוטוניום, המצוין לעיל, הופך את הנוף אליו נכנס יסוד זה לבלתי שמיש במשך זמן רב מאוד, כמעט עידן גיאולוגי.
מים וחוטים
בואו נחזור לשימוש השקט בתגובות גרעיניות. אנחנו מדברים כמובן על ייצור חשמל באמצעות ביקוע גרעיני. התהליך נראה כך:
בליבהבכור מופיעים תחילה נויטרונים חופשיים, ולאחר מכן הם פוגעים ביסוד רדיואקטיבי (בדרך כלל איזוטופ של אורניום), שעובר ריקבון אלפא או בטא.
כדי למנוע מהתגובה הזו לעבור לשלב לא מבוקר, ליבת הכור מכילה מה שנקרא מנהלים. ככלל, אלה הם מוטות גרפיט, אשר סופגים נויטרונים טוב מאוד. על ידי התאמת אורכם, תוכל לעקוב אחר קצב התגובה.
כתוצאה מכך, אלמנט אחד הופך לאחר, ומשתחררת כמות מדהימה של אנרגיה. אנרגיה זו נספגת על ידי מיכל מלא במה שנקרא מים כבדים (במקום מימן במולקולות דאוטריום). כתוצאה ממגע עם ליבת הכור, מים אלו מזוהמים מאוד במוצרי ריקבון רדיואקטיביים. סילוק המים הללו הוא הבעיה הגדולה ביותר של אנרגיה גרעינית כרגע.
השני ממוקם במעגל המים הראשון, השלישי ממוקם בשני. המים של המעגל השלישי כבר בטוחים לשימוש, והיא זו שהופכת את הטורבינה, המייצרת חשמל.
למרות מספר כה גדול של מתווכים בין הליבות המייצרות ישירות לצרכן הסופי (בל נשכח את עשרות הקילומטרים של חוטים שגם מאבדים כוח), התגובה הזו מספקת כוח מדהים. לדוגמה, תחנת כוח גרעינית אחת יכולה לספק חשמל לאזור שלם עם תעשיות רבות.
