Questo articolo parla di cos'è la quantizzazione dell'energia e quale significato ha questo fenomeno per la scienza moderna. Viene data la storia della scoperta della discrezione dell'energia, così come i campi di applicazione della quantizzazione degli atomi.
Fine della fisica
Alla fine del diciannovesimo secolo, gli scienziati si trovarono di fronte a un dilemma: all'allora livello di sviluppo tecnologico, tutte le possibili leggi della fisica furono scoperte, descritte e studiate. Gli studenti che avevano abilità altamente sviluppate nel campo delle scienze naturali non sono stati consigliati dagli insegnanti di scegliere la fisica. Credevano che non fosse più possibile diventare famosi in esso, c'era solo un lavoro di routine per studiare piccoli dettagli minori. Questo era più adatto a una persona attenta, piuttosto che dotata. Tuttavia, la foto, che è stata più una scoperta divertente, ha dato motivo di riflessione. Tutto è iniziato con semplici incongruenze. Per cominciare, si è scoperto che la luce non era del tutto continua: in determinate condizioni, la combustione dell'idrogeno lasciava sulla lastra fotografica una serie di linee invece di un singolo punto. Inoltre si è scoperto che gli spettri dell'elio avevanopiù righe degli spettri dell'idrogeno. Poi si è scoperto che la scia di alcune stelle è diversa da altre. E la pura curiosità ha costretto i ricercatori a mettere manualmente un'esperienza dopo l' altra alla ricerca di risposte alle domande. Non hanno pensato all'applicazione commerciale delle loro scoperte.
Planck e quantistico
Fortunatamente per noi, questa svolta nella fisica è stata accompagnata dallo sviluppo della matematica. Perché la spiegazione di ciò che stava accadendo rientrava in formule incredibilmente complesse. Nel 1900, Max Planck, lavorando sulla teoria della radiazione del corpo nero, scoprì che l'energia è quantizzata. Descrivere brevemente il significato di questa affermazione è abbastanza semplice. Qualsiasi particella elementare può trovarsi solo in alcuni stati specifici. Se diamo un modello approssimativo, il contatore di tali stati può mostrare i numeri 1, 3, 8, 13, 29, 138. E tutti gli altri valori tra di loro sono inaccessibili. Sveleremo le ragioni di ciò un po 'più tardi. Tuttavia, se si approfondisce la storia di questa scoperta, vale la pena notare che lo stesso scienziato, fino alla fine della sua vita, considerava la quantizzazione dell'energia solo un comodo trucco matematico, non dotato di un serio significato fisico.
Onda e Messa
L'inizio del ventesimo secolo è stato ricco di scoperte legate al mondo delle particelle elementari. Ma il grande mistero era il seguente paradosso: in alcuni casi, le particelle si comportavano come oggetti con massa (e, di conseguenza, quantità di moto), e in alcuni casi, come un'onda. Dopo un lungo e ostinato dibattito, sono dovuto arrivare a una conclusione incredibile: elettroni, protoni ei neutroni hanno queste proprietà allo stesso tempo. Questo fenomeno è stato chiamato dualismo corpuscolare-onda (nel discorso degli scienziati russi duecento anni fa, una particella era chiamata corpuscolo). Pertanto, un elettrone è una certa massa, come se fosse imbrattato in un'onda di una certa frequenza. Un elettrone che ruota attorno al nucleo di un atomo sovrappone all'infinito le sue onde l'una sull' altra. Di conseguenza, solo a determinate distanze dal centro (che dipendono dalla lunghezza d'onda) le onde dell'elettrone, ruotando, non si annullano a vicenda. Questo accade quando, quando la "testa" di un elettrone d'onda è sovrapposta alla sua "coda", i massimi coincidono con i massimi e i minimi coincidono con i minimi. Questo spiega la quantizzazione dell'energia di un atomo, cioè la presenza in esso di orbite rigorosamente definite, sulle quali può esistere un elettrone.
Nanocavallo sferico nel vuoto
Tuttavia, i sistemi reali sono incredibilmente complessi. Obbedendo alla logica sopra descritta, si può ancora comprendere il sistema delle orbite degli elettroni nell'idrogeno e nell'elio. Tuttavia, sono già necessari ulteriori calcoli complessi. Per imparare a capirli, gli studenti moderni studiano la quantizzazione dell'energia delle particelle in un pozzo potenziale. Per cominciare, vengono scelti un pozzo dalla forma ideale e un singolo elettrone modello. Per loro, risolvono l'equazione di Schrödinger, trovano i livelli di energia a cui può trovarsi l'elettrone. Dopodiché, imparano a cercare le dipendenze introducendo sempre più variabili: la larghezza e la profondità del pozzo, l'energia e la frequenza dell'elettrone perdono la loro certezza, aggiungendo complessità alle equazioni. Ulteriorela forma della fossa cambia (ad esempio, diventa di profilo quadrato o frastagliato, i suoi bordi perdono la loro simmetria), vengono prese ipotetiche particelle elementari con caratteristiche specificate. E solo allora imparano a risolvere problemi che coinvolgono la quantizzazione dell'energia di radiazione di atomi reali e sistemi ancora più complessi.
Momento, momento angolare
Tuttavia, il livello di energia di, diciamo, un elettrone è una quantità più o meno comprensibile. In un modo o nell' altro, tutti immaginano che la maggiore energia delle batterie del riscaldamento centralizzato corrisponda a una temperatura più alta nell'appartamento. Di conseguenza, la quantizzazione dell'energia può ancora essere immaginata in modo speculativo. Ci sono anche concetti in fisica che sono difficili da comprendere intuitivamente. Nel macrocosmo, la quantità di moto è il prodotto di velocità e massa (non dimenticare che la velocità, come la quantità di moto, è una quantità vettoriale, cioè dipende dalla direzione). È grazie allo slancio che è chiaro che una pietra di medie dimensioni che vola lentamente lascerà un livido solo se colpisce una persona, mentre un piccolo proiettile sparato a grande velocità trafiggerà il corpo in tutto e per tutto. Nel microcosmo, la quantità di moto è una tale quantità che caratterizza la connessione di una particella con lo spazio circostante, così come la sua capacità di muoversi e interagire con altre particelle. Quest'ultimo dipende direttamente dall'energia. Pertanto, diventa chiaro che la quantizzazione dell'energia e della quantità di moto di una particella deve essere interconnessa. Inoltre, la costante h, che denota la porzione più piccola possibile di un fenomeno fisico e mostra la discrezionalità delle quantità, è inclusa nella formula eenergia e quantità di moto delle particelle nel nanomondo. Ma c'è un concetto ancora più distante dalla consapevolezza intuitiva: il momento dell'impulso. Si riferisce a corpi rotanti e indica quale massa e con quale velocità angolare ruota. Ricordiamo che la velocità angolare indica la quantità di rotazione per unità di tempo. Il momento angolare è anche in grado di raccontare il modo in cui viene distribuita la sostanza di un corpo rotante: oggetti con la stessa massa, ma concentrati vicino all'asse di rotazione o alla periferia, avranno un momento angolare diverso. Come probabilmente già intuirà il lettore, nel mondo dell'atomo l'energia del momento angolare è quantizzata.
Quantum e laser
L'influenza della scoperta della discrezione dell'energia e di altre quantità è evidente. Uno studio dettagliato del mondo è possibile solo grazie al quanto. I moderni metodi di studio della materia, l'uso di vari materiali e persino la scienza della loro creazione sono una naturale continuazione della comprensione di cosa sia la quantizzazione dell'energia. Il principio di funzionamento e l'uso di un laser non fanno eccezione. In generale, il laser è costituito da tre elementi principali: il fluido di lavoro, pompante e specchio riflettente. Il fluido di lavoro è scelto in modo tale che in esso esistano due livelli relativamente vicini per gli elettroni. Il criterio più importante per questi livelli è la durata degli elettroni su di essi. Cioè, per quanto tempo un elettrone è in grado di resistere in un certo stato prima di spostarsi in una posizione più bassa e più stabile. Dei due livelli, quello superiore dovrebbe essere quello più abitato. Quindi il pompaggio (spesso con una lampada convenzionale, a volte con una lampada a infrarossi) fornisce gli elettronienergia sufficiente perché tutti loro si raccolgano al livello più alto di energia e si accumulino lì. Questo è chiamato popolazione di livello inverso. Inoltre, un elettrone passa in uno stato inferiore e più stabile con l'emissione di un fotone, che provoca la rottura di tutti gli elettroni verso il basso. La particolarità di questo processo è che tutti i fotoni risultanti hanno la stessa lunghezza d'onda e sono coerenti. Tuttavia, il corpo di lavoro, di regola, è piuttosto grande e in esso vengono generati flussi, diretti in direzioni diverse. Il ruolo dello specchio riflettente è quello di filtrare solo quei flussi di fotoni che sono diretti in una direzione. Di conseguenza, l'uscita è un fascio stretto e intenso di onde coerenti della stessa lunghezza d'onda. All'inizio, questo era considerato possibile solo allo stato solido. Il primo laser aveva un rubino artificiale come mezzo di lavoro. Ora ci sono laser di tutti i tipi e tipi: su liquidi, gas e persino su reazioni chimiche. Come vede il lettore, il ruolo principale in questo processo è svolto dall'assorbimento e dall'emissione di luce da parte dell'atomo. In questo caso, la quantizzazione dell'energia è solo la base per descrivere la teoria.
Luce ed elettroni
Ricorda che la transizione di un elettrone in un atomo da un'orbita all' altra è accompagnata dall'emissione o dall'assorbimento di energia. Questa energia appare sotto forma di un quanto di luce o di un fotone. Formalmente, un fotone è una particella, ma differisce dagli altri abitanti del nanomondo. Un fotone non ha massa, ma ha quantità di moto. Ciò fu dimostrato dallo scienziato russo Lebedev nel 1899, dimostrando chiaramente la pressione della luce. Un fotone esiste solo in movimento e la sua velocitàuguale alla velocità della luce. È l'oggetto più veloce possibile nel nostro universo. La velocità della luce (normalmente indicata dal piccolo latino "c") è di circa trecentomila chilometri al secondo. Ad esempio, la dimensione della nostra galassia (non la più grande in termini spaziali) è di circa centomila anni luce. Entrando in collisione con la materia, il fotone gli conferisce la sua energia completamente, come se in questo caso si dissolvesse. L'energia di un fotone che viene rilasciata o assorbita quando un elettrone si sposta da un'orbita all' altra dipende dalla distanza tra le orbite. Se è piccolo, viene emessa una radiazione infrarossa a bassa energia, se è grande, si ottiene l'ultravioletto.
Radiazioni X e gamma
La scala elettromagnetica dopo l'ultravioletto contiene raggi X e radiazioni gamma. In generale, si sovrappongono in lunghezza d'onda, frequenza ed energia in un intervallo abbastanza ampio. Cioè, c'è un fotone a raggi X con una lunghezza d'onda di 5 picometri e un fotone gamma con la stessa lunghezza d'onda. Differiscono solo nel modo in cui vengono ricevuti. I raggi X si verificano in presenza di elettroni molto veloci e la radiazione gamma si ottiene solo nei processi di decadimento e fusione dei nuclei atomici. I raggi X sono suddivisi in morbidi (usandoli per mostrare attraverso i polmoni e le ossa di una persona) e duri (di solito necessari solo per scopi industriali o di ricerca). Se acceleri l'elettrone molto fortemente e poi lo deceleri bruscamente (ad esempio, dirigendolo in un corpo solido), emetterà fotoni di raggi X. Quando tali elettroni entrano in collisione con la materia, gli atomi bersaglio si romponoelettroni dai gusci inferiori. In questo caso, gli elettroni dei gusci superiori prendono il loro posto, emettendo anche raggi X durante la transizione.
Quanti gamma si verificano in altri casi. I nuclei degli atomi, sebbene costituiti da molte particelle elementari, sono anche di piccole dimensioni, il che significa che sono caratterizzati dalla quantizzazione dell'energia. Il passaggio dei nuclei da uno stato eccitato a uno stato inferiore è proprio accompagnato dall'emissione di raggi gamma. Procede qualsiasi reazione di decadimento o fusione dei nuclei, inclusa la comparsa di fotoni gamma.
Reazione nucleare
Un po' più in alto abbiamo menzionato che anche i nuclei atomici obbediscono alle leggi del mondo quantistico. Ma ci sono sostanze in natura con nuclei così grandi da diventare instabili. Tendono a scomporsi in componenti più piccoli e più stabili. Questi, come probabilmente già intuisce il lettore, includono, ad esempio, il plutonio e l'uranio. Quando il nostro pianeta si è formato da un disco protoplanetario, conteneva una certa quantità di sostanze radioattive. Nel tempo, sono decaduti, trasformandosi in altri elementi chimici. Tuttavia, una certa quantità di uranio non decaduto è sopravvissuta fino ad oggi e dalla sua quantità si può giudicare, ad esempio, l'età della Terra. Per gli elementi chimici che hanno radioattività naturale, esiste una caratteristica come l'emivita. Questo è il periodo di tempo durante il quale il numero di atomi rimanenti di questo tipo sarà dimezzato. L'emivita del plutonio, ad esempio, si verifica in ventiquattromila anni. Tuttavia, oltre alla radioattività naturale, c'è anche quella forzata. Quando vengono bombardati con particelle alfa pesanti o neutroni leggeri, i nuclei degli atomi si rompono. In questo caso si distinguono tre tipi di radiazioni ionizzanti: particelle alfa, particelle beta, raggi gamma. Il decadimento beta fa sì che la carica nucleare cambi di uno. Le particelle alfa prendono due positroni dal nucleo. La radiazione gamma non ha carica e non è deviata da un campo elettromagnetico, ma ha il più alto potere di penetrazione. La quantizzazione dell'energia avviene in tutti i casi di decadimento nucleare.
Guerra e pace
Laser, raggi X, lo studio dei solidi e delle stelle: tutte queste sono applicazioni pacifiche della conoscenza sui quanti. Tuttavia, il nostro mondo è pieno di minacce e tutti cercano di proteggersi. La scienza serve anche a scopi militari. Anche un fenomeno puramente teorico come la quantizzazione dell'energia è stato messo in guardia dal mondo. La definizione della discrezione di qualsiasi radiazione, ad esempio, ha costituito la base delle armi nucleari. Naturalmente, ci sono solo alcune delle sue applicazioni di combattimento: il lettore probabilmente ricorda Hiroshima e Nagasaki. Tutti gli altri motivi per premere l'ambito pulsante rosso erano più o meno pacifici. Inoltre, c'è sempre la questione della contaminazione radioattiva dell'ambiente. Ad esempio, l'emivita del plutonio, sopra indicata, rende inutilizzabile il paesaggio in cui questo elemento entra per molto tempo, quasi un'epoca geologica.
Acqua e cavi
Torniamo all'uso pacifico delle reazioni nucleari. Stiamo parlando, ovviamente, della generazione di elettricità mediante fissione nucleare. Il processo si presenta così:
Nel nucleoNel reattore compaiono prima i neutroni liberi e poi colpiscono un elemento radioattivo (solitamente un isotopo dell'uranio), che subisce un decadimento alfa o beta.
Per evitare che questa reazione entri in uno stadio incontrollato, il nucleo del reattore contiene i cosiddetti moderatori. Di norma, si tratta di barre di grafite, che assorbono molto bene i neutroni. Regolando la loro lunghezza, puoi monitorare la velocità di reazione.
Di conseguenza, un elemento si trasforma in un altro e viene rilasciata un'incredibile quantità di energia. Questa energia viene assorbita da un contenitore riempito con la cosiddetta acqua pesante (al posto dell'idrogeno nelle molecole di deuterio). A causa del contatto con il nocciolo del reattore, quest'acqua è fortemente contaminata da prodotti di decadimento radioattivo. È lo sm altimento di quest'acqua il problema più grande dell'energia nucleare in questo momento.
Il secondo è collocato nel primo circuito idrico, il terzo è collocato nel secondo. L'acqua del terzo circuito è già sicura da usare, ed è lei che fa girare la turbina, che genera elettricità.
Nonostante un numero così elevato di intermediari tra i core che generano direttamente e il consumatore finale (non dimentichiamo le decine di chilometri di fili che perdono anche potenza), questa reazione fornisce una potenza incredibile. Ad esempio, una centrale nucleare può fornire elettricità a un'intera area con molte industrie.
