Энэ нийтлэлд энергийн квантчлал гэж юу болох, орчин үеийн шинжлэх ухаанд энэ үзэгдэл ямар ач холбогдолтой болохыг өгүүлнэ. Энергийн салангид чанарыг нээсэн түүх, мөн атомын квантчлалын хэрэглээний талбаруудыг өгсөн болно.
Физикийн төгсгөл
Арван есдүгээр зууны сүүлчээр эрдэмтэд хоёрдмол бэрхшээлтэй тулгарсан: тухайн үеийн технологийн хөгжлийн түвшинд физикийн бүх боломжит хуулиудыг нээж, дүрсэлж, судалж байсан. Байгалийн ухааны чиглэлээр өндөр хөгжилтэй хүүхдүүдийг физикийн хичээлийг сонгохыг багш нар зөвлөдөггүй. Тэд үүн дээр алдартай болох боломжгүй болсон, зөвхөн жижиг нарийн ширийн зүйлийг судлах ердийн ажил л байсан гэж тэд үзэж байв. Энэ нь авъяастай гэхээсээ илүү анхааралтай хүмүүст илүү тохиромжтой байв. Гэсэн хэдий ч илүү зугаатай нээлт болсон гэрэл зураг бодох үндэслэл болжээ. Энэ бүхэн энгийн үл нийцэх байдлаас эхэлсэн. Эхлэхийн тулд гэрэл нь бүхэлдээ тасралтгүй биш байсан нь тогтоогдсон: тодорхой нөхцөлд устөрөгчийг шатаах нь гэрэл зургийн хавтан дээр нэг цэгийн оронд хэд хэдэн шугам үлдээсэн. Цаашлаад гелийн спектрүүд байсан нь тогтоогджээустөрөгчийн спектрээс илүү шугамууд. Дараа нь зарим оддын мөр нь бусдаас ялгаатай болохыг олж мэдсэн. Мөн цэвэр сониуч зан нь судлаачдыг асуултын хариултыг эрэлхийлэхийн тулд нэг нэгээр нь гар аргаар туршлагаа оруулахад хүргэв. Тэд нээлтээ арилжаанд ашиглах талаар огт бодоогүй.
Планк ба квант
Бидний хувьд аз болоход физикийн энэхүү нээлт математикийн хөгжил дагалдсан юм. Учир нь юу болсныг тайлбарлах нь үнэхээр нарийн төвөгтэй томьёотой нийцэж байв. 1900 онд Макс Планк хар биеийн цацрагийн онол дээр ажиллаж байхдаа энерги нь квантчлагдсан болохыг олж мэдэв. Энэ мэдэгдлийн утгыг товч тайлбарлавал маш энгийн. Аливаа энгийн бөөмс нь зөвхөн тодорхой төлөвт байж болно. Хэрэв бид бүдүүлэг загвар өгвөл ийм муж улсын тоолуур нь 1, 3, 8, 13, 29, 138 тоонуудыг харуулж чадна. Тэдний хоорондох бусад бүх утгууд нь боломжгүй юм. Үүний шалтгааныг бид хэсэг хугацааны дараа дэлгэнэ. Гэсэн хэдий ч, хэрэв та энэхүү нээлтийн түүхийг судлах юм бол эрдэмтэн өөрөө амьдралынхаа эцэс хүртэл эрчим хүчний квантчлалыг физикийн ноцтой утга агуулаагүй зөвхөн тохиромжтой математик заль мэх гэж үзэж байсныг тэмдэглэх нь зүйтэй.
Давалгаа ба масс
ХХ зууны эхэн үе нь энгийн бөөмсийн ертөнцтэй холбоотой нээлтүүдээр дүүрэн байлаа. Гэхдээ хамгийн том нууц нь дараахь парадокс байв: зарим тохиолдолд бөөмс нь масстай (мөн үүний дагуу импульс) объект шиг, зарим тохиолдолд долгион шиг ажилладаг байв. Удаан бөгөөд зөрүүд мэтгэлцээний эцэст би электрон, протон ба гайхалтай дүгнэлтэд хүрсэннейтронууд эдгээр шинж чанаруудыг нэгэн зэрэг эзэмшдэг. Энэ үзэгдлийг корпускуляр-долгионы дуализм гэж нэрлэдэг (хоёр зуун жилийн өмнө Оросын эрдэмтдийн хэлсэн үгэнд бөөмсийг корпускул гэж нэрлэдэг байсан). Тиймээс электрон нь тодорхой давтамжийн долгион руу түрхсэн мэт тодорхой масс юм. Атомын цөмийг тойрон эргэдэг электрон долгионоо бие биенийхээ дээр эцэс төгсгөлгүй байрлуулдаг. Иймээс зөвхөн төвөөс тодорхой зайд (долгионы уртаас хамаарна) эргэлдэж буй электрон долгионууд бие биенээ үгүйсгэдэггүй. Энэ нь долгионы электроны "толгойг" түүний "сүүл" дээр байрлуулахад максимум нь максимумтай, минимум нь минимумтай давхцах үед тохиолддог. Энэ нь атомын энергийн квантчлалыг, өөрөөр хэлбэл түүн дээр электрон оршин тогтнох хатуу тодорхойлогдсон тойрог замууд байдгийг тайлбарладаг.
Вакуум дахь бөмбөрцөг нанохорс
Гэсэн хэдий ч бодит системүүд үнэхээр нарийн төвөгтэй байдаг. Дээр дурдсан логикийг дагаж мөрдвөл устөрөгч ба гелий дэх электронуудын тойрог замын системийг ойлгох боломжтой хэвээр байна. Гэсэн хэдий ч цаашид нарийн төвөгтэй тооцоолол хийх шаардлагатай байна. Тэдгээрийг хэрхэн ойлгохыг сурахын тулд орчин үеийн оюутнууд боломжит худаг дахь бөөмийн энергийн квантчлалыг судалдаг. Эхлэхийн тулд хамгийн тохиромжтой хэлбэртэй худаг ба нэг загварын электроныг сонгоно. Тэдний хувьд Шредингерийн тэгшитгэлийг шийдэж, электрон байж болох энергийн түвшинг олдог. Үүний дараа тэд улам бүр олон хувьсагчдыг оруулах замаар хамаарлыг хайж сурдаг: худгийн өргөн ба гүн, электроны энерги, давтамж нь тодорхойгүй байдлаа алдаж, тэгшитгэлд төвөгтэй байдлыг нэмж өгдөг. Цаашиднүхний хэлбэр өөрчлөгддөг (жишээлбэл, энэ нь дөрвөлжин эсвэл зүсэлттэй болж, ирмэг нь тэгш хэмээ алддаг), тодорхой шинж чанартай таамагласан энгийн хэсгүүдийг авдаг. Тэгээд л тэд жинхэнэ атомын цацрагийн энергийн квантчлал, бүр илүү төвөгтэй системтэй холбоотой асуудлыг шийдэж сурдаг.
Момент, өнцгийн импульс
Гэсэн хэдий ч электроны энергийн түвшин нь бага багаар ойлгомжтой хэмжигдэхүүн юм. Төвлөрсөн халаалтын батерейны өндөр энерги нь орон сууцны өндөр температуртай тохирч байна гэж хүн бүр төсөөлдөг. Үүний дагуу энергийн квантчлалыг таамаглалаар төсөөлж болно. Мөн физикт зөн совингоор ойлгоход хэцүү ойлголтууд байдаг. Макро ертөнцийн хувьд импульс нь хурд ба массын үржвэр юм (хурд нь импульсийн адил вектор хэмжигдэхүүн, өөрөөр хэлбэл чиглэлээс хамаардаг гэдгийг бүү мартаарай). Аажуухан нисч буй дунд зэргийн хэмжээтэй чулуу хүнд оноход л хөх няц үлдээдэг бол асар хурдтай харвасан жижиг сум биеийг бүхэлд нь нэвт цоолох нь тодорхой болсон эрч хүчийн ачаар. Бичил ертөнц дэх импульс нь бөөмсийг хүрээлэн буй орон зайтай холбох, түүнчлэн бусад бөөмстэй шилжих, харилцан үйлчлэх чадварыг тодорхойлдог ийм хэмжигдэхүүн юм. Сүүлийнх нь эрчим хүчээс шууд хамаардаг. Ийнхүү бөөмийн энерги ба импульсийн квантчлал харилцан уялдаатай байх ёстой нь тодорхой болж байна. Түүнчлэн физик үзэгдлийн хамгийн бага хэсгийг илэрхийлж, хэмжигдэхүүнүүдийн салангид байдлыг харуулдаг тогтмол h нь томьёо болоннано ертөнц дэх бөөмсийн энерги ба импульс. Гэхдээ зөн совингийн ухамсараас илүү хол ойлголт байдаг - импульсийн агшин. Энэ нь эргэдэг биетүүдийг хэлдэг бөгөөд ямар масс, ямар өнцгийн хурдаар эргэлдэж байгааг заадаг. Өнцгийн хурд нь нэгж хугацаанд эргэлтийн хэмжээг илэрхийлдэг гэдгийг санаарай. Мөн өнцгийн импульс нь эргэлдэж буй биеийн бодис хэрхэн тархаж байгааг хэлж чаддаг: ижил масстай, гэхдээ эргэлтийн тэнхлэгийн ойролцоо эсвэл захын хэсэгт төвлөрсөн биетүүд өөр өнцгийн импульстэй байх болно. Уншигчийн таамаглаж байгаагаар атомын ертөнцөд өнцгийн импульсийн энерги квантлагдсан байдаг.
Квант ба лазер
Энерги болон бусад хэмжигдэхүүний салангид чанарыг нээсний нөлөө илт харагдаж байна. Дэлхий ертөнцийг нарийвчлан судлах нь зөвхөн квантын ачаар л боломжтой юм. Бодисыг судлах орчин үеийн аргууд, янз бүрийн материалыг ашиглах, тэр ч байтугай тэдгээрийг бүтээх шинжлэх ухаан нь энергийн квантчлал гэж юу болохыг ойлгох байгалийн үргэлжлэл юм. Үйл ажиллагааны зарчим, лазер ашиглах нь үл хамаарах зүйл биш юм. Ерөнхийдөө лазер нь ажлын шингэн, шахах, тусгах толь гэсэн гурван үндсэн элементээс бүрдэнэ. Ажлын шингэнийг электронуудын хувьд харьцангуй ойрхон хоёр түвшин байхаар сонгосон. Эдгээр түвшний хамгийн чухал шалгуур бол тэдгээр дээрх электронуудын амьдрах хугацаа юм. Өөрөөр хэлбэл, бага, тогтвортой байрлал руу шилжихээсээ өмнө электрон тодорхой төлөвт хэр удаан байж чадах вэ гэсэн үг юм. Хоёр түвшний дээд тал нь урт наслах ёстой. Дараа нь шахах (ихэвчлэн ердийн чийдэн, заримдаа хэт улаан туяаны чийдэн) нь электронуудыг өгдөгТэд бүгд эрчим хүчний дээд түвшинд цугларч, тэнд хуримтлагдахад хангалттай эрчим хүч. Үүнийг урвуу түвшний хүн ам гэж нэрлэдэг. Цаашилбал, зарим нэг электрон нь фотон ялгаруулснаар бага, илүү тогтвортой төлөвт шилждэг бөгөөд энэ нь бүх электронуудыг доошоо задлахад хүргэдэг. Энэ үйл явцын онцлог нь бүх үүссэн фотонууд ижил долгионы урттай, уялдаа холбоотой байдаг. Гэсэн хэдий ч ажлын хэсэг нь дүрмээр бол нэлээд том бөгөөд янз бүрийн чиглэлд чиглэсэн урсгалууд үүсдэг. Ойлгогч толины үүрэг бол зөвхөн нэг чиглэлд чиглэсэн фотоны урсгалыг шүүх юм. Үүний үр дүнд гаралт нь ижил долгионы урттай когерент долгионы нарийн эрчимтэй цацраг юм. Эхэндээ энэ нь зөвхөн хатуу төлөвт л боломжтой гэж үзсэн. Эхний лазер нь хиймэл бадмаараг ажиллаж байсан. Одоо шингэн, хий, тэр ч байтугай химийн урвал дээр бүх төрлийн лазерууд байдаг. Уншигчийн харж байгаагаар энэ үйл явцын гол үүрэг нь атомын гэрлийг шингээх, ялгаруулах явдал юм. Энэ тохиолдолд энергийн квантчлал нь зөвхөн онолыг тайлбарлах үндэс болно.
Гэрэл ба электрон
Атом дахь электрон нэг тойрог замаас нөгөө тойрог замд шилжихэд энерги ялгарах эсвэл шингээх үйл явц дагалддаг гэдгийг санаарай. Энэ энерги нь гэрлийн квант эсвэл фотон хэлбэрээр илэрдэг. Албан ёсоор фотон бол бөөмс боловч нано ертөнцийн бусад оршин суугчдаас ялгаатай. Фотон нь массгүй боловч импульстэй байдаг. Үүнийг 1899 онд Оросын эрдэмтэн Лебедев нотолж, гэрлийн даралтыг тодорхой харуулсан. Фотон нь зөвхөн хөдөлгөөн, хурдаараа л байдаггэрлийн хурдтай тэнцүү. Энэ бол манай орчлон дээрх хамгийн хурдан биет юм. Гэрлийн хурд (жижиг латин "c" гэж тэмдэглэдэг) нь секундэд гурван зуун мянган километр юм. Жишээлбэл, манай галактикийн хэмжээ (сансрын хувьд хамгийн том нь биш) ойролцоогоор зуун мянган гэрлийн жил юм. Бодистой мөргөлдөхөд фотон нь энэ тохиолдолд татан буулгах мэт эрчим хүчээ бүрэн өгдөг. Электрон нэг тойрог замаас нөгөө тойрог замд шилжих үед ялгарах буюу шингээгдэх фотоны энерги нь тойрог замуудын хоорондох зайнаас хамаарна. Хэрэв жижиг бол эрчим хүч багатай хэт улаан туяа ялгардаг, том бол хэт ягаан туяа ялгардаг.
Рентген болон гамма цацраг
Хэт ягаан туяаны дараах цахилгаан соронзон хэмжүүр нь рентген болон гамма цацраг агуулдаг. Ерөнхийдөө тэдгээр нь долгионы урт, давтамж, энергийн хувьд нэлээд өргөн хүрээнд давхцдаг. Өөрөөр хэлбэл, 5 пикометрийн долгионы урттай рентген фотон, ижил долгионы урттай гамма фотон байдаг. Тэд зөвхөн хүлээж авах арга барилаараа л ялгаатай. Рентген туяа нь маш хурдан электронуудын дэргэд тохиолддог бөгөөд гамма цацрагийг зөвхөн атомын цөмийн задрал, нэгдлийн процесст олж авдаг. Рентген туяаг зөөлөн (хүний уушиг, ясаар харуулахад ашигладаг) ба хатуу (ихэвчлэн үйлдвэрлэлийн болон судалгааны зорилгоор ашигладаг) гэж хуваадаг. Хэрэв та электроныг маш хүчтэй хурдасгаж, дараа нь огцом удаашруулбал (жишээлбэл, хатуу бие рүү чиглүүлэх замаар) энэ нь рентген фотоныг ялгаруулна. Ийм электронууд бодистой мөргөлдөхөд зорилтот атомууд задарч эхэлдэгдоод бүрхүүлээс электронууд. Энэ тохиолдолд дээд бүрхүүлийн электронууд байр сууриа эзэлдэг бөгөөд шилжилтийн үед рентген туяа цацруулдаг.
Гамма квант бусад тохиолдолд тохиолддог. Атомын цөмүүд хэдийгээр олон тооны энгийн бөөмсөөс бүрддэг ч жижиг хэмжээтэй байдаг нь энергийн квантчлалаар тодорхойлогддог гэсэн үг юм. Цөмийн өдөөгдсөн төлөвөөс доод төлөв рүү шилжих нь гамма цацрагийн ялгаралттай яг нарийн дагалддаг. Гамма фотон харагдахыг оролцуулан бөөмийн задрал, нэгдэх аливаа урвал явагдана.
Цөмийн урвал
Атомын цөм ч мөн квант ертөнцийн хуулиудад захирагддаг тухай бид бага зэрэг дээр дурдсан. Гэвч байгальд тогтворгүй болдог тийм том цөмтэй бодисууд байдаг. Тэд жижиг, илүү тогтвортой бүрэлдэхүүн хэсгүүдэд задардаг. Уншигчийн таамаглаж байгаагаар эдгээрт, жишээлбэл, плутони, уран зэрэг орно. Манай гараг эх гаригийн дискнээс үүсэх үед түүнд тодорхой хэмжээний цацраг идэвхт бодис байсан. Цаг хугацаа өнгөрөхөд тэд ялзарч, бусад химийн элементүүд болж хувирав. Гэсэн хэдий ч тодорхой хэмжээний задралгүй уран өнөөг хүртэл хадгалагдан үлдсэн бөгөөд түүний хэмжээгээр, жишээлбэл, дэлхийн насыг шүүж болно. Байгалийн цацраг идэвхит химийн элементүүдийн хувьд хагас задралын хугацаа гэх мэт шинж чанарууд байдаг. Энэ бол энэ төрлийн үлдсэн атомын тоо хоёр дахин буурах хугацаа юм. Жишээлбэл, плутонийн хагас задралын хугацаа нь хорин дөрвөн мянган жил болдог. Гэсэн хэдий ч байгалийн цацраг идэвхт бодисоос гадна албадан байдаг. Хүнд альфа тоосонцор эсвэл хөнгөн нейтроноор бөмбөгдөхөд атомын цөмүүд хуваагддаг. Энэ тохиолдолд ионжуулагч цацрагийн гурван төрлийг ялгадаг: альфа тоосонцор, бета тоосонцор, гамма туяа. Бета задрал нь цөмийн цэнэгийг нэгээр өөрчлөхөд хүргэдэг. Альфа бөөмс нь цөмөөс хоёр позитрон авдаг. Гамма цацраг нь цэнэггүй бөгөөд цахилгаан соронзон орны нөлөөгөөр хазайдаггүй боловч хамгийн их нэвтрэх чадвартай байдаг. Цөмийн задралын бүх тохиолдлуудад энергийн квантжилт явагддаг.
Дайн ба энх
Лазер, рентген туяа, хатуу биет болон оддын судалгаа - энэ бүхэн квантуудын талаарх мэдлэгийг амар амгалан ашиглах явдал юм. Гэсэн хэдий ч манай дэлхий аюул заналхийллээр дүүрэн бөгөөд хүн бүр өөрийгөө хамгаалахыг эрэлхийлдэг. Шинжлэх ухаан нь цэргийн зорилгоор бас үйлчилдэг. Эрчим хүчний хэмжигдэхүүн гэх мэт цэвэр онолын үзэгдэл хүртэл дэлхий дахины хамгаалалтад орсон. Аливаа цацрагийн салангид байдлын тодорхойлолт, жишээлбэл, цөмийн зэвсгийн үндэс суурь болсон. Мэдээжийн хэрэг, түүний байлдааны цөөн хэдэн хэрэглээ байдаг - уншигч Хирошима, Нагасаки нарыг санаж байгаа байх. Хүссэн улаан товчлуурыг дарах бусад бүх шалтгаан нь илүү их эсвэл бага тайван байсан. Мөн хүрээлэн буй орчны цацраг идэвхт бохирдлын асуудал үргэлж байдаг. Жишээ нь, дээр дурдсан плутонийн хагас задралын хугацаа нь энэ элемент орсон ландшафтыг маш удаан хугацаанд ашиглах боломжгүй болгож, бараг геологийн эрин үе болгож байна.
Ус ба утас
Цөмийн урвалыг энхийн зорилгоор ашиглах асуудал руугаа буцъя. Мэдээжийн хэрэг бид цөмийн задралаар цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэх тухай ярьж байна. Процесс иймэрхүү харагдаж байна:
ҮндсэндээРеакторт эхлээд чөлөөт нейтронууд гарч ирэх ба дараа нь альфа эсвэл бета задралд ордог цацраг идэвхт элемент (ихэвчлэн ураны изотоп)-д хүрдэг.
Энэ урвалыг хяналтгүй үе шатанд оруулахаас сэргийлэхийн тулд реакторын цөмд зохицуулагч гэж нэрлэгддэг. Дүрмээр бол эдгээр нь нейтроныг маш сайн шингээдэг бал чулуун саваа юм. Тэдний уртыг тохируулснаар та урвалын хурдыг хянах боломжтой.
Үүний үр дүнд нэг элемент нөгөө элемент болж хувирч, гайхалтай их энерги ялгардаг. Энэ энергийг хүнд ус гэж нэрлэгддэг (дейтерийн молекул дахь устөрөгчийн оронд) дүүргэсэн саванд шингээдэг. Реакторын цөмтэй шүргэлцсэний үр дүнд энэ ус нь цацраг идэвхт задралын бүтээгдэхүүнээр маш ихээр бохирдсон байна. Цөмийн энергийн хамгийн том асуудал бол энэ усыг зайлуулах явдал юм.
Хоёр дахь нь эхний усны хэлхээнд, гурав дахь нь хоёрдугаарт байрладаг. Гурав дахь хэлхээний усыг ашиглахад аль хэдийн аюулгүй болсон бөгөөд тэрээр турбиныг эргүүлж, цахилгаан үүсгэдэг.
Шууд үүсгэгч цөм болон эцсийн хэрэглэгч хоёрын хооронд ийм олон тооны зуучлагч байдаг хэдий ч (хэдэн арван километрийн утас ч бас хүчээ алддагийг мартаж болохгүй) энэхүү урвал нь гайхалтай хүчийг өгдөг. Жишээлбэл, нэг атомын цахилгаан станц нь олон үйлдвэр бүхий бүс нутгийг бүхэлд нь эрчим хүчээр хангах боломжтой.
