Այս հոդվածը խոսում է այն մասին, թե ինչ է էներգիայի քվանտացումը և ինչ նշանակություն ունի այս երևույթը ժամանակակից գիտության համար։ Տրված է էներգիայի դիսկրետության հայտնաբերման պատմությունը, ինչպես նաև ատոմների քվանտացման կիրառման ոլորտները։
Ֆիզիկայի ավարտ
Տասնիններորդ դարի վերջում գիտնականները կանգնեցին երկընտրանքի առաջ. տեխնոլոգիաների զարգացման այն ժամանակվա մակարդակում հայտնաբերվեցին, նկարագրվեցին և ուսումնասիրվեցին ֆիզիկայի բոլոր հնարավոր օրենքները: Բնական գիտությունների ոլորտում բարձր զարգացած կարողություններ ունեցող աշակերտներին ուսուցիչները խորհուրդ չեն տվել ընտրել ֆիզիկան։ Նրանք կարծում էին, որ դրանում այլևս հնարավոր չէ հայտնի դառնալ, կա միայն սովորական աշխատանք՝ մանր մանրուքներն ուսումնասիրելու համար։ Սա ավելի շատ հարմար է ոչ թե շնորհալի, այլ ուշադիր մարդուն: Սակայն լուսանկարը, որն ավելի շատ զվարճալի բացահայտում էր, մտածելու տեղիք տվեց։ Ամեն ինչ սկսվեց պարզ անհամապատասխանություններից: Սկզբից պարզվեց, որ լույսն ամբողջությամբ շարունակական չէ. որոշակի պայմաններում այրվող ջրածինը լուսանկարչական ափսեի վրա մեկ կետի փոխարեն թողնում է մի շարք գծեր: Հետագայում պարզվեց, որ հելիումի սպեկտրներն ուներավելի շատ գծեր, քան ջրածնի սպեկտրները: Հետո պարզվեց, որ որոշ աստղերի հետքը տարբերվում է մյուսներից։ Եվ զուտ հետաքրքրասիրությունը ստիպեց հետազոտողներին ձեռքով փորձեր դնել մեկը մյուսի հետևից՝ փնտրելու հարցերի պատասխանները: Նրանք չէին մտածում իրենց հայտնագործությունների կոմերցիոն կիրառման մասին։
Պլանկ և քվանտ
Բարեբախտաբար մեզ, ֆիզիկայի այս բեկումն ուղեկցվեց մաթեմատիկայի զարգացմամբ։ Որովհետև տեղի ունեցողի բացատրությունը տեղավորվում էր անհավանական բարդ բանաձևերի մեջ։ 1900 թվականին Մաքս Պլանկը, աշխատելով սև մարմնի ճառագայթման տեսության վրա, պարզեց, որ էներգիան քվանտացված է։ Համառոտ նկարագրեք այս հայտարարության իմաստը բավականին պարզ է. Ցանկացած տարրական մասնիկ կարող է լինել միայն որոշ կոնկրետ վիճակներում: Եթե կոպիտ մոդել տանք, ապա նման վիճակների հաշվիչը կարող է ցույց տալ 1, 3, 8, 13, 29, 138 թվերը։ Իսկ դրանց միջև եղած բոլոր արժեքներն անհասանելի են։ Սրա պատճառները կբացահայտենք քիչ ուշ։ Այնուամենայնիվ, եթե խորանաք այս հայտնագործության պատմության մեջ, հարկ է նշել, որ ինքը՝ գիտնականը, մինչև իր կյանքի վերջը էներգիայի քվանտավորումը համարում էր միայն հարմար մաթեմատիկական հնարք, որը օժտված չէ լուրջ ֆիզիկական իմաստով։
Ալիք և զանգված
Քսաներորդ դարի սկիզբը լի էր տարրական մասնիկների աշխարհի հետ կապված բացահայտումներով: Բայց մեծ առեղծվածը հետևյալ պարադոքսն էր. որոշ դեպքերում մասնիկները իրենց պահում էին զանգվածով (և, համապատասխանաբար, իմպուլս) ունեցող առարկաների պես, իսկ որոշ դեպքերում՝ ալիքի։ Երկար ու համառ բանավեճից հետո ես ստիպված էի գալ մի անհավանական եզրակացության՝ էլեկտրոններ, պրոտոններ ևնեյտրոններն ունեն այս հատկությունները միաժամանակ։ Այս երեւույթը կոչվում էր կորպուսկուլյար-ալիքային դուալիզմ (երկու հարյուր տարի առաջ ռուս գիտնականների խոսքում մասնիկը կոչվում էր կորպուսկուլ)։ Այսպիսով, էլեկտրոնը որոշակի զանգված է, կարծես քսված լինի որոշակի հաճախականության ալիքի մեջ: Էլեկտրոնը, որը պտտվում է ատոմի միջուկի շուրջ, անվերջ իր ալիքները դնում է միմյանց վրա։ Հետևաբար, կենտրոնից միայն որոշակի հեռավորությունների վրա (որոնք կախված են ալիքի երկարությունից) էլեկտրոնային ալիքները, պտտվելով, չեն ջնջում միմյանց։ Դա տեղի է ունենում, երբ ալիքի էլեկտրոնի «գլուխը» դրվում է նրա «պոչի» վրա, առավելագույնը համընկնում է մաքսիմայի հետ, իսկ նվազագույնը՝ մինիմումի հետ։ Սա բացատրում է ատոմի էներգիայի քվանտացումը, այսինքն՝ նրանում խիստ սահմանված ուղեծրերի առկայությունը, որոնց վրա կարող է գոյություն ունենալ էլեկտրոն։
Գնդաձև նանոձի վակուումում
Սակայն իրական համակարգերը աներևակայելի բարդ են: Հնազանդվելով վերը նկարագրված տրամաբանությանը, դեռ կարելի է հասկանալ ջրածնի և հելիումի էլեկտրոնների ուղեծրերի համակարգը։ Այնուամենայնիվ, արդեն իսկ պահանջվում են հետագա բարդ հաշվարկներ։ Սովորելու համար, թե ինչպես հասկանալ դրանք, ժամանակակից ուսանողները ուսումնասիրում են մասնիկների էներգիայի քվանտացումը պոտենցիալ ջրհորի մեջ: Սկզբից ընտրվում է իդեալական ձևավորված ջրհոր և մեկ մոդելային էլեկտրոն: Նրանց համար նրանք լուծում են Շրյոդինգերի հավասարումը, գտնում են էներգիայի մակարդակները, որոնցում կարող է լինել էլեկտրոնը: Դրանից հետո նրանք սովորում են կախվածություն փնտրել՝ ներմուծելով ավելի ու ավելի շատ փոփոխականներ՝ հորանի լայնությունն ու խորությունը, էլեկտրոնի էներգիան և հաճախականությունը կորցնում են իրենց որոշակիությունը՝ բարդացնելով հավասարումները: Հետագափոսի ձևը փոխվում է (օրինակ՝ այն դառնում է քառակուսի կամ ատամնավոր պրոֆիլով, եզրերը կորցնում են իրենց համաչափությունը), վերցվում են նշված բնութագրերով հիպոթետիկ տարրական մասնիկներ։ Եվ միայն դրանից հետո նրանք սովորում են լուծել խնդիրներ, որոնք ներառում են իրական ատոմների և նույնիսկ ավելի բարդ համակարգերի ճառագայթման էներգիայի քվանտացումը:
Մոմենտ, անկյունային իմպուլս
Սակայն, ասենք, էլեկտրոնի էներգիայի մակարդակը քիչ թե շատ հասկանալի մեծություն է։ Այսպես թե այնպես, բոլորը պատկերացնում են, որ կենտրոնական ջեռուցման մարտկոցների ավելի մեծ էներգիան համապատասխանում է բնակարանի ավելի բարձր ջերմաստիճանին։ Ըստ այդմ, էներգիայի քվանտացումը դեռ կարելի է սպեկուլյատիվ պատկերացնել։ Ֆիզիկայի մեջ կան նաև հասկացություններ, որոնք դժվար է ինտուիտիվ կերպով ընկալել: Մակրոկոսմում իմպուլսը արագության և զանգվածի արտադրյալն է (մի մոռացեք, որ արագությունը, ինչպես իմպուլսը, վեկտորային մեծություն է, այսինքն՝ կախված է ուղղությունից): Հենց թափի շնորհիվ է, որ պարզ է, որ դանդաղ թռչող միջին չափի քարը միայն կապտուկ կթողնի, եթե դիպչի մարդուն, մինչդեռ մեծ արագությամբ արձակված փոքրիկ գնդակը կանցնի մարմինը միջով և միջով: Միկրոտիեզերքում իմպուլսը այնպիսի մեծություն է, որը բնութագրում է մասնիկի կապը շրջակա տարածության հետ, ինչպես նաև շարժվելու և այլ մասնիկների հետ փոխազդելու կարողությունը։ Վերջինս ուղղակիորեն կախված է էներգիայից։ Այսպիսով, պարզ է դառնում, որ մասնիկի էներգիայի քվանտացումը և իմպուլսը պետք է փոխկապակցված լինեն։ Ավելին, h հաստատունը, որը ցույց է տալիս ֆիզիկական երևույթի հնարավոր ամենափոքր մասը և ցույց է տալիս մեծությունների դիսկրետությունը, ներառված է բանաձևում ևմասնիկների էներգիան և իմպուլսը նանոաշխարհում: Բայց ինտուիտիվ գիտակցությունից էլ ավելի հեռու հասկացություն կա՝ իմպուլսի պահը: Այն վերաբերում է պտտվող մարմիններին և ցույց է տալիս, թե ինչ զանգվածով և ինչ անկյունային արագությամբ է պտտվում։ Հիշեցնենք, որ անկյունային արագությունը ցույց է տալիս պտույտի չափը միավոր ժամանակում: Անկյունային իմպուլսը կարող է նաև ասել, թե ինչպես է բաշխված պտտվող մարմնի նյութը. նույն զանգվածով, բայց պտտման առանցքի մոտ կամ ծայրամասում կենտրոնացած առարկաները կունենան տարբեր անկյունային իմպուլս։ Ինչպես ընթերցողը հավանաբար արդեն կռահում է, ատոմների աշխարհում անկյունային իմպուլսի էներգիան քվանտացված է։
Քվանտ և լազեր
Ակնհայտ է էներգիայի և այլ մեծությունների դիսկրետության բացահայտման ազդեցությունը։ Աշխարհի մանրամասն ուսումնասիրությունը հնարավոր է միայն քվանտի շնորհիվ։ Նյութերի ուսումնասիրման ժամանակակից մեթոդները, տարբեր նյութերի օգտագործումը և նույնիսկ դրանց ստեղծման գիտությունը բնական շարունակությունն են հասկանալու, թե ինչ է էներգիայի քվանտացումը: Գործողության սկզբունքը և լազերի օգտագործումը բացառություն չէ: Ընդհանուր առմամբ լազերը բաղկացած է երեք հիմնական տարրերից՝ աշխատանքային հեղուկ, պոմպային և արտացոլող հայելի։ Աշխատանքային հեղուկն ընտրված է այնպես, որ դրանում գոյություն ունեն էլեկտրոնների համար երկու համեմատաբար մոտ մակարդակ։ Այս մակարդակների համար ամենակարեւոր չափանիշը դրանց վրա էլեկտրոնների կյանքի ժամկետն է: Այսինքն, թե որքան ժամանակ է էլեկտրոնն ի վիճակի որոշակի վիճակում կանգնել մինչև ավելի ցածր և ավելի կայուն դիրքի անցնելը: Երկու մակարդակներից վերինն ավելի երկար պետք է ապրի։ Այնուհետև պոմպը (հաճախ սովորական լամպով, երբեմն ինֆրակարմիր լամպով) տալիս է էլեկտրոններ.բավականաչափ էներգիա, որպեսզի նրանք բոլորը հավաքվեն էներգիայի ամենաբարձր մակարդակում և կուտակվեն այնտեղ: Սա կոչվում է հակադարձ մակարդակի բնակչություն: Ավելին, որոշ էլեկտրոններ անցնում են ավելի ցածր և ավելի կայուն վիճակի մեջ ֆոտոնի արտանետմամբ, ինչը հանգեցնում է բոլոր էլեկտրոնների քայքայմանը դեպի ներքև: Այս գործընթացի առանձնահատկությունն այն է, որ ստացված բոլոր ֆոտոններն ունեն նույն ալիքի երկարությունը և համահունչ են։ Սակայն աշխատանքային մարմինը, որպես կանոն, բավականին մեծ է, և նրանում առաջանում են հոսքեր՝ ուղղված տարբեր ուղղություններով։ Անդրադարձող հայելու դերն է զտել միայն այն ֆոտոնային հոսքերը, որոնք ուղղված են մեկ ուղղությամբ: Արդյունքում, ելքը միևնույն ալիքի երկարության կոհերենտ ալիքների նեղ ինտենսիվ ճառագայթ է: Սկզբում դա հնարավոր էր համարվում միայն ամուր վիճակում։ Առաջին լազերը որպես աշխատանքային միջավայր ուներ արհեստական ռուբին։ Այժմ կան բոլոր տեսակի և տեսակների լազերներ՝ հեղուկների, գազերի և նույնիսկ քիմիական ռեակցիաների վրա: Ինչպես տեսնում է ընթերցողը, այս գործընթացում հիմնական դերը խաղում է ատոմի կողմից լույսի կլանումն ու արտանետումը։ Այս դեպքում էներգիայի քվանտացումը միայն տեսության նկարագրության հիմքն է։
Լույս և էլեկտրոն
Հիշենք, որ ատոմում էլեկտրոնի անցումը մի ուղեծրից մյուսը ուղեկցվում է էներգիայի կա՛մ արտանետմամբ, կա՛մ կլանմամբ: Այս էներգիան հայտնվում է լույսի քվանտի կամ ֆոտոնի տեսքով։ Ֆորմալ առումով ֆոտոնը մասնիկ է, սակայն այն տարբերվում է նանոաշխարհի մյուս բնակիչներից։ Ֆոտոնը զանգված չունի, բայց ունի իմպուլս։ Դա ապացուցել է ռուս գիտնական Լեբեդևը 1899 թվականին՝ հստակ ցույց տալով լույսի ճնշումը։ Ֆոտոնը գոյություն ունի միայն շարժման և նրա արագության մեջհավասար է լույսի արագությանը։ Դա մեր տիեզերքի ամենաարագ հնարավոր օբյեկտն է: Լույսի արագությունը (ստանդարտ կերպով նշվում է փոքր լատիներեն «c»–ով) մոտ երեք հարյուր հազար կիլոմետր վայրկյանում։ Օրինակ, մեր գալակտիկայի չափը (տիեզերական առումով ամենամեծը չէ) մոտ հարյուր հազար լուսային տարի է: Բախվելով նյութի հետ՝ ֆոտոնն ամբողջությամբ տալիս է նրան իր էներգիան, կարծես այս դեպքում լուծարվում է։ Ֆոտոնի էներգիան, որն ազատվում կամ կլանվում է, երբ էլեկտրոնը մի ուղեծրից մյուսը տեղափոխվում է, կախված է ուղեծրերի միջև եղած հեռավորությունից։ Եթե այն փոքր է, արտանետվում է ցածր էներգիայով ինֆրակարմիր ճառագայթում, եթե այն մեծ է՝ ստացվում է ուլտրամանուշակագույն։
Ռենտգեն և գամմա ճառագայթում
Ուլտրամանուշակագույնից հետո էլեկտրամագնիսական սանդղակը պարունակում է ռենտգեն և գամմա ճառագայթում: Ընդհանուր առմամբ, դրանք համընկնում են ալիքի երկարությամբ, հաճախականությամբ և էներգիայով բավականին լայն տիրույթում: Այսինքն՝ կա ռենտգեն ֆոտոն՝ 5 պիկոմետր ալիքի երկարությամբ և գամմա ֆոտոն՝ նույն ալիքի երկարությամբ։ Դրանք տարբերվում են միայն ընդունելության ձևով։ Ռենտգենյան ճառագայթները տեղի են ունենում շատ արագ էլեկտրոնների առկայության դեպքում, իսկ գամմա ճառագայթումը ստացվում է միայն ատոմային միջուկների քայքայման և միաձուլման գործընթացներում։ Ռենտգենը բաժանվում է փափուկ (օգտագործելով այն մարդու թոքերի և ոսկորների միջով ցույց տալու համար) և կոշտի (սովորաբար անհրաժեշտ է միայն արդյունաբերական կամ հետազոտական նպատակներով): Եթե դուք արագացնեք էլեկտրոնը շատ ուժեղ, իսկ հետո կտրուկ դանդաղեցնեք այն (օրինակ՝ ուղղելով այն պինդ մարմնի մեջ), ապա այն կարձակի ռենտգենյան ֆոտոններ։ Երբ այդպիսի էլեկտրոնները բախվում են նյութի հետ, թիրախ ատոմները դուրս են գալիսէլեկտրոնները ստորին թաղանթներից: Այս դեպքում իրենց տեղը զբաղեցնում են վերին թաղանթների էլեկտրոնները, որոնք անցման ժամանակ նույնպես արձակում են ռենտգենյան ճառագայթներ։
Գամմա քվանտան տեղի է ունենում այլ դեպքերում: Ատոմների միջուկները, թեև բաղկացած են բազմաթիվ տարրական մասնիկներից, բայց չափսերով նույնպես փոքր են, ինչը նշանակում է, որ դրանք բնութագրվում են էներգիայի քվանտացմամբ։ Միջուկների անցումը գրգռված վիճակից ավելի ցածր վիճակի ճշգրիտ ուղեկցվում է գամմա ճառագայթների արտանետմամբ։ Միջուկների քայքայման կամ միաձուլման ցանկացած ռեակցիա առաջանում է, ներառյալ գամմա ֆոտոնների առաջացումը:
Միջուկային ռեակցիա
Մի փոքր ավելի բարձր նշեցինք, որ ատոմային միջուկները նույնպես ենթարկվում են քվանտային աշխարհի օրենքներին։ Բայց բնության մեջ այնպիսի մեծ միջուկներով նյութեր կան, որ դառնում են անկայուն։ Նրանք հակված են բաժանվել ավելի փոքր և կայուն բաղադրիչների: Սրանք, ինչպես հավանաբար արդեն կռահում է ընթերցողը, ներառում են, օրինակ, պլուտոնիումը և ուրանը։ Երբ մեր մոլորակը ձևավորվեց նախամոլորակային սկավառակից, այն ուներ որոշակի քանակությամբ ռադիոակտիվ նյութեր: Ժամանակի ընթացքում դրանք քայքայվել են՝ վերածվելով այլ քիմիական տարրերի։ Բայց, այնուամենայնիվ, որոշակի քանակությամբ չքայքայված ուրան պահպանվել է մինչ օրս, և դրա քանակով կարելի է դատել, օրինակ, Երկրի տարիքը։ Քիմիական տարրերի համար, որոնք ունեն բնական ռադիոակտիվություն, գոյություն ունի այնպիսի հատկանիշ, ինչպիսին է կիսատ կյանքը: Սա այն ժամանակահատվածն է, որի ընթացքում այս տեսակի մնացած ատոմների թիվը կկրճատվի երկու անգամ: Պլուտոնիումի կես կյանքը, օրինակ, տեղի է ունենում քսանչորս հազար տարում: Սակայն, բացի բնական ռադիոակտիվությունից, կա նաև հարկադիր. Երբ ռմբակոծվում են ծանր ալֆա մասնիկներով կամ թեթև նեյտրոններով, ատոմների միջուկները բաժանվում են։ Այս դեպքում առանձնանում են իոնացնող ճառագայթման երեք տեսակ՝ ալֆա մասնիկներ, բետա մասնիկներ, գամմա ճառագայթներ։ Բետա քայքայումը հանգեցնում է նրան, որ միջուկային լիցքը փոխվում է մեկով: Ալֆա մասնիկները միջուկից վերցնում են երկու պոզիտրոն։ Գամմա ճառագայթումը լիցք չունի և չի շեղվում էլեկտրամագնիսական դաշտից, բայց ունի ամենաբարձր թափանցող ուժը։ Էներգիայի քվանտացումը տեղի է ունենում միջուկային քայքայման բոլոր դեպքերում:
Պատերազմ և խաղաղություն
Լազերներ, ռենտգենյան ճառագայթներ, պինդ մարմինների և աստղերի ուսումնասիրություն. այս ամենը քվանտների մասին գիտելիքների խաղաղ կիրառություններ են: Այնուամենայնիվ, մեր աշխարհը լի է սպառնալիքներով, և բոլորը ձգտում են պաշտպանել իրենց: Գիտությունը ծառայում է նաև ռազմական նպատակների. Նույնիսկ այնպիսի զուտ տեսական երևույթ, ինչպիսին է էներգիայի քվանտացումը, դրվել է աշխարհի հսկողության տակ: Ցանկացած ճառագայթման դիսկրետության սահմանումը, օրինակ, կազմել է միջուկային զենքի հիմքը։ Իհարկե, կան դրա մարտական կիրառություններից միայն մի քանիսը. ընթերցողը հավանաբար հիշում է Հիրոսիման և Նագասակիին: Բոլոր մյուս պատճառները՝ սեղմելու բաղձալի կարմիր կոճակը, քիչ թե շատ խաղաղ էին։ Նաև միշտ կա շրջակա միջավայրի ռադիոակտիվ աղտոտման հարցը: Օրինակ, վերևում նշված պլուտոնիումի կիսամյակը անօգտագործելի է դարձնում այն լանդշաֆտը, որտեղ այս տարրը մտնում է շատ երկար ժամանակ, գրեթե երկրաբանական դարաշրջան:
Ջուր և լարեր
Եկեք վերադառնանք միջուկային ռեակցիաների խաղաղ օգտագործմանը։ Խոսքն, իհարկե, միջուկային տրոհման միջոցով էլեկտրաէներգիայի արտադրության մասին է։ Գործընթացն այսպիսին է թվում՝
ՀիմքումՌեակտորում սկզբում հայտնվում են ազատ նեյտրոններ, այնուհետև դրանք հարվածում են ռադիոակտիվ տարրին (սովորաբար ուրանի իզոտոպին), որը ենթարկվում է ալֆա կամ բետա քայքայման։
Այս ռեակցիան չվերահսկվող փուլ չանցնելու համար ռեակտորի միջուկը պարունակում է այսպես կոչված մոդերատորներ: Որպես կանոն, դրանք գրաֆիտի ձողեր են, որոնք շատ լավ կլանում են նեյտրոնները։ Կարգավորելով դրանց երկարությունը՝ կարող եք վերահսկել ռեակցիայի արագությունը։
Արդյունքում մի տարրը վերածվում է մյուսի, և արտազատվում է անհավատալի քանակությամբ էներգիա։ Այս էներգիան կլանում է այսպես կոչված ծանր ջրով լցված տարան (դեյտերիումի մոլեկուլներում ջրածնի փոխարեն)։ Ռեակտորի միջուկի հետ շփման արդյունքում այս ջուրը խիստ աղտոտված է ռադիոակտիվ քայքայման արտադրանքներով: Հենց այս ջրի հեռացումն է ատոմային էներգիայի ամենամեծ խնդիրն այս պահին։
Երկրորդը տեղադրվում է առաջին ջրային շղթայում, երրորդը՝ երկրորդում։ Երրորդ շրջանի ջուրն արդեն անվտանգ է օգտագործելու համար, և հենց նա է պտտեցնում տուրբինը, որը էլեկտրաէներգիա է արտադրում։
Չնայած ուղղակիորեն գեներացնող միջուկների և վերջնական սպառողի միջև այդքան մեծ թվով միջնորդների (չմոռանանք տասնյակ կիլոմետրանոց լարերը, որոնք նույնպես կորցնում են էներգիան), այս ռեակցիան անհավանական ուժ է ապահովում: Օրինակ՝ մեկ ատոմակայանը կարող է էլեկտրաէներգիա մատակարարել բազմաթիվ արդյունաբերություններ ունեցող մի ամբողջ տարածքի։
