In diesem Artikel geht es darum, was Energiequantisierung ist und welche Bedeutung dieses Phänomen für die moderne Wissenschaft hat. Die Geschichte der Entdeckung der Diskretion der Energie wird ebenso dargestellt wie die Anwendungsgebiete der Quantisierung von Atomen.
Ende der Physik
Ende des 19. Jahrhunderts standen Wissenschaftler vor einem Dilemma: Auf dem damaligen Stand der Technikentwicklung waren alle möglichen Gesetze der Physik entdeckt, beschrieben und untersucht. Schülern mit ausgeprägten naturwissenschaftlichen Fähigkeiten wurde von den Lehrern nicht geraten, Physik zu wählen. Sie glaubten, dass es nicht mehr möglich sei, darin berühmt zu werden, es gebe nur Routinearbeit, um kleine Nebensächlichkeiten zu studieren. Dies war eher für einen aufmerksamen Menschen geeignet als für einen begabten. Das Foto, das eher eine unterh altsame Entdeckung war, gab jedoch Anlass zum Nachdenken. Alles begann mit einfachen Ungereimtheiten. Zunächst stellte sich heraus, dass das Licht nicht vollständig kontinuierlich war: Unter bestimmten Bedingungen hinterließ das Verbrennen von Wasserstoff statt eines einzelnen Flecks eine Reihe von Linien auf der Fotoplatte. Weiter stellte sich heraus, dass die Spektren von Helium hattenmehr Linien als die Spektren von Wasserstoff. Dann wurde festgestellt, dass sich die Spur einiger Sterne von anderen unterscheidet. Und reine Neugier zwang die Forscher, auf der Suche nach Antworten auf Fragen manuell eine Erfahrung nach der anderen zu ordnen. Sie dachten nicht an die kommerzielle Anwendung ihrer Entdeckungen.
Planck und Quanten
Glücklicherweise ging dieser Durchbruch in der Physik mit der Entwicklung der Mathematik einher. Denn die Erklärung dessen, was passierte, passte in unglaublich komplexe Formeln. Im Jahr 1900 entdeckte Max Planck, der an der Theorie der Schwarzkörperstrahlung arbeitete, dass Energie quantisiert ist. Beschreiben Sie kurz die Bedeutung dieser Aussage ist ganz einfach. Jedes Elementarteilchen kann sich nur in bestimmten Zuständen befinden. Wenn wir ein grobes Modell geben, kann der Zähler solcher Zustände die Zahlen 1, 3, 8, 13, 29, 138 anzeigen. Und alle anderen Werte dazwischen sind nicht zugänglich. Die Gründe dafür verraten wir etwas später. Wenn Sie sich jedoch mit der Geschichte dieser Entdeckung befassen, ist es erwähnenswert, dass der Wissenschaftler selbst die Energiequantisierung bis zu seinem Lebensende nur als einen bequemen mathematischen Trick betrachtete, der keine ernsthafte physikalische Bedeutung hatte.
Welle und Masse
Der Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts war voller Entdeckungen in der Welt der Elementarteilchen. Aber das große Rätsel war das folgende Paradoxon: In einigen Fällen verhielten sich die Teilchen wie Objekte mit Masse (und dementsprechend Impuls) und in einigen Fällen wie eine Welle. Nach langer und hartnäckiger Debatte musste ich zu einem unglaublichen Schluss kommen: Elektronen, Protonen undNeutronen haben diese Eigenschaften gleichzeitig. Dieses Phänomen wurde Korpuskularwellen-Dualismus genannt (in der Sprache russischer Wissenschaftler vor zweihundert Jahren wurde ein Teilchen als Korpuskel bezeichnet). Ein Elektron hat also eine bestimmte Masse, als ob es in eine Welle einer bestimmten Frequenz eingeschmiert wäre. Ein Elektron, das um den Kern eines Atoms kreist, überlagert seine Wellen endlos. Folglich heben sich die rotierenden Elektronenwellen nur in bestimmten Abständen vom Zentrum (die von der Wellenlänge abhängen) nicht gegenseitig auf. Dies geschieht, wenn bei Überlagerung des „Kopfes“eines Wellenelektrons mit seinem „Schwanz“die Maxima mit den Maxima und die Minima mit den Minima zusammenfallen. Dies erklärt die Quantisierung der Energie eines Atoms, dh das Vorhandensein streng definierter Bahnen darin, auf denen ein Elektron existieren kann.
Sphärisches Nanopferd im Vakuum
Echte Systeme sind jedoch unglaublich komplex. Wenn man der oben beschriebenen Logik folgt, kann man immer noch das System der Elektronenbahnen in Wasserstoff und Helium verstehen. Allerdings sind bereits weitere komplexe Berechnungen erforderlich. Um zu lernen, sie zu verstehen, untersuchen moderne Studenten die Quantisierung der Teilchenenergie in einem Potenti altopf. Zunächst werden ein ideal geformter Topf und ein einzelnes Modellelektron ausgewählt. Für sie lösen sie die Schrödinger-Gleichung, finden die Energieniveaus, auf denen sich das Elektron befinden kann. Danach lernen sie, Abhängigkeiten zu suchen, indem sie immer mehr Variablen einführen: Die Breite und Tiefe des Brunnens, die Energie und Frequenz des Elektrons verlieren ihre Sicherheit, was die Gleichungen komplexer macht. Weiterändert sich die Form der Grube (z. B. wird sie quadratisch oder im Profil gezackt, ihre Kanten verlieren ihre Symmetrie), werden hypothetische Elementarteilchen mit bestimmten Eigenschaften entnommen. Und erst dann lernen sie, Probleme zu lösen, bei denen es um die Quantisierung der Strahlungsenergie realer Atome und noch komplexerer Systeme geht.
Impuls, Drehimpuls
Aber das Energieniveau, sagen wir, eines Elektrons ist eine mehr oder weniger verständliche Größe. Auf die eine oder andere Weise stellt sich jeder vor, dass die höhere Energie der Zentralheizungsbatterien einer höheren Temperatur in der Wohnung entspricht. Entsprechend ist die Quantisierung von Energie noch spekulativ vorstellbar. Es gibt auch Konzepte in der Physik, die intuitiv schwer zu verstehen sind. Im Makrokosmos ist Impuls das Produkt aus Geschwindigkeit und Masse (vergessen Sie nicht, dass Geschwindigkeit, wie Impuls, eine Vektorgröße ist, das heißt, sie hängt von der Richtung ab). Dem Schwung ist es zu verdanken, dass ein langsam fliegender mittelgroßer Stein nur dann einen blauen Fleck hinterlässt, wenn er eine Person trifft, während eine kleine, mit großer Geschwindigkeit abgefeuerte Kugel den Körper durch und durch durchbohrt. Impuls ist im Mikrokosmos eine solche Größe, die die Verbindung eines Teilchens mit dem umgebenden Raum sowie seine Fähigkeit, sich zu bewegen und mit anderen Teilchen zu interagieren, charakterisiert. Letztere hängt direkt von der Energie ab. Damit wird deutlich, dass die Quantisierung von Energie und Impuls eines Teilchens zusammenhängen muss. Außerdem ist in der Formel und die Konstante h enth alten, die den kleinstmöglichen Anteil eines physikalischen Phänomens bezeichnet und die Diskretion von Größen zeigtEnergie und Impuls von Teilchen in der Nanowelt. Aber es gibt ein Konzept, das noch weiter vom intuitiven Bewusstsein entfernt ist – der Moment des Impulses. Sie bezieht sich auf rotierende Körper und gibt an, welche Masse und mit welcher Winkelgeschwindigkeit rotiert. Erinnern Sie sich daran, dass die Winkelgeschwindigkeit den Betrag der Drehung pro Zeiteinheit angibt. Der Drehimpuls verrät auch, wie die Substanz eines rotierenden Körpers verteilt ist: Objekte mit gleicher Masse, aber konzentriert in der Nähe der Rotationsachse oder am Rand, haben einen anderen Drehimpuls. Wie der Leser wahrscheinlich schon errät, ist in der Welt der Atome die Energie des Drehimpulses quantisiert.
Quanten und Laser
Der Einfluss der Entdeckung der Diskretion von Energie und anderen Größen ist offensichtlich. Ein detailliertes Studium der Welt ist nur dank der Quanten möglich. Moderne Methoden zur Untersuchung von Materie, die Verwendung verschiedener Materialien und sogar die Wissenschaft ihrer Entstehung sind eine natürliche Fortsetzung des Verständnisses, was Energiequantisierung ist. Das Funktionsprinzip und die Verwendung eines Lasers ist keine Ausnahme. Im Allgemeinen besteht der Laser aus drei Hauptelementen: Arbeitsflüssigkeit, Pump- und Reflexionsspiegel. Das Arbeitsmedium wird so gewählt, dass darin zwei relativ nahe Elektronenniveaus existieren. Das wichtigste Kriterium für diese Niveaus ist die Lebensdauer der Elektronen auf ihnen. Das heißt, wie lange sich ein Elektron in einem bestimmten Zustand h alten kann, bevor es sich in eine niedrigere und stabilere Position bewegt. Von den beiden Ebenen sollte die obere die langlebigere sein. Dann gibt das Pumpen (oft mit einer herkömmlichen Lampe, manchmal mit einer Infrarotlampe) die Elektronen abgenug Energie für sie alle, um sich auf der obersten Energieebene zu sammeln und dort zu akkumulieren. Dies wird als Inverse-Level-Population bezeichnet. Außerdem geht ein Elektron mit der Emission eines Photons in einen niedrigeren und stabileren Zustand über, was einen Zusammenbruch aller Elektronen nach unten bewirkt. Die Besonderheit dieses Prozesses besteht darin, dass alle entstehenden Photonen die gleiche Wellenlänge haben und kohärent sind. Der Arbeitskörper ist jedoch in der Regel ziemlich groß und es werden darin Ströme erzeugt, die in verschiedene Richtungen gerichtet sind. Die Rolle des reflektierenden Spiegels besteht darin, nur diejenigen Photonenströme herauszufiltern, die in eine Richtung gerichtet sind. Als Ergebnis ist die Ausgabe ein schmaler intensiver Strahl kohärenter Wellen der gleichen Wellenlänge. Zunächst hielt man dies nur im Festkörper für möglich. Der erste Laser hatte als Arbeitsmedium einen künstlichen Rubin. Jetzt gibt es Laser aller Art und Art - auf Flüssigkeiten, Gase und sogar auf chemische Reaktionen. Wie der Leser sieht, spielt bei diesem Vorgang die Absorption und Emission von Licht durch das Atom die Hauptrolle. In diesem Fall ist die Energiequantisierung nur die Grundlage zur Beschreibung der Theorie.
Licht und Elektron
Erinnere dich daran, dass der Übergang eines Elektrons in einem Atom von einer Umlaufbahn in eine andere entweder von der Emission oder Absorption von Energie begleitet wird. Diese Energie erscheint in Form eines Lichtquants oder eines Photons. Formal ist ein Photon ein Teilchen, aber es unterscheidet sich von anderen Bewohnern der Nanowelt. Ein Photon hat keine Masse, aber einen Impuls. Dies wurde 1899 vom russischen Wissenschaftler Lebedev bewiesen, der den Druck des Lichts deutlich demonstrierte. Ein Photon existiert nur in Bewegung und seiner Geschwindigkeitgleich der Lichtgeschwindigkeit. Es ist das schnellstmögliche Objekt in unserem Universum. Die Lichtgeschwindigkeit (normalerweise mit dem kleinen lateinischen „c“bezeichnet) beträgt etwa dreihunderttausend Kilometer pro Sekunde. Zum Beispiel beträgt die Größe unserer Galaxie (nicht die größte im Weltraum) etwa hunderttausend Lichtjahre. Beim Zusammenstoß mit Materie gibt das Photon ihm seine Energie vollständig ab, als würde es sich in diesem Fall auflösen. Die Energie eines Photons, die freigesetzt oder absorbiert wird, wenn sich ein Elektron von einer Umlaufbahn zur anderen bewegt, hängt vom Abstand zwischen den Umlaufbahnen ab. Ist es klein, wird Infrarotstrahlung mit geringer Energie emittiert, ist es groß, wird ultraviolett erh alten.
Röntgen- und Gammastrahlung
Die elektromagnetische Skala nach Ultraviolett enthält Röntgen- und Gammastrahlung. Im Allgemeinen überlappen sie sich in Wellenlänge, Frequenz und Energie in einem ziemlich weiten Bereich. Das heißt, es gibt ein Röntgenphoton mit einer Wellenlänge von 5 Picometern und ein Gammaphoton mit der gleichen Wellenlänge. Sie unterscheiden sich nur in der Art und Weise, wie sie empfangen werden. Röntgenstrahlen treten in Gegenwart sehr schneller Elektronen auf, und Gammastrahlung wird nur beim Zerfall und Verschmelzen von Atomkernen erh alten. Röntgenstrahlen werden in weiche (um durch die Lungen und Knochen einer Person zu zeigen) und harte (normalerweise nur für industrielle oder Forschungszwecke benötigte) Röntgenstrahlen unterteilt. Wenn Sie das Elektron sehr stark beschleunigen und dann stark abbremsen (z. B. indem Sie es in einen Festkörper lenken), sendet es Röntgenphotonen aus. Wenn solche Elektronen mit Materie kollidieren, brechen die Zielatome ausElektronen aus den unteren Schalen. An ihre Stelle treten in diesem Fall die Elektronen der oberen Schalen, die beim Übergang ebenfalls Röntgenstrahlen aussenden.
Gammaquanten treten in anderen Fällen auf. Die Kerne von Atomen, obwohl sie aus vielen Elementarteilchen bestehen, sind auch klein, was bedeutet, dass sie durch Energiequantisierung gekennzeichnet sind. Der Übergang von Kernen von einem angeregten Zustand in einen niedrigeren Zustand wird genau von der Emission von Gammastrahlen begleitet. Jede Reaktion des Zerfalls oder der Fusion von Kernen schreitet voran, einschließlich des Auftretens von Gamma-Photonen.
Kernreaktion
Etwas weiter oben erwähnten wir, dass auch Atomkerne den Gesetzen der Quantenwelt gehorchen. Aber es gibt in der Natur Substanzen mit so großen Kernen, dass sie instabil werden. Sie neigen dazu, in kleinere und stabilere Komponenten zu zerfallen. Dazu gehören, wie der Leser wahrscheinlich schon vermutet, beispielsweise Plutonium und Uran. Als sich unser Planet aus einer protoplanetaren Scheibe bildete, enthielt er eine bestimmte Menge radioaktiver Substanzen. Im Laufe der Zeit zerfielen sie und verwandelten sich in andere chemische Elemente. Trotzdem hat sich bis heute eine gewisse Menge an unzersetztem Uran erh alten, an dessen Menge man zum Beispiel das Alter der Erde ablesen kann. Für chemische Elemente mit natürlicher Radioaktivität gibt es eine Eigenschaft wie die Halbwertszeit. Das ist der Zeitraum, in dem sich die Zahl der verbleibenden Atome dieser Art halbiert. Die Halbwertszeit von Plutonium zum Beispiel tritt in vierundzwanzigtausend Jahren auf. Allerdings gibt es neben natürlicher Radioaktivität auch Zwang. Beim Beschuss mit schweren Alphateilchen oder leichten Neutronen brechen Atomkerne auseinander. Dabei werden drei Arten ionisierender Strahlung unterschieden: Alpha-Teilchen, Beta-Teilchen, Gammastrahlen. Der Beta-Zerfall bewirkt, dass sich die Kernladung um eins ändert. Alphateilchen nehmen dem Kern zwei Positronen ab. Gammastrahlung ist ungeladen und wird von einem elektromagnetischen Feld nicht abgelenkt, hat aber die höchste Durchdringungskraft. Energiequantisierung tritt in allen Fällen des Kernzerfalls auf.
Krieg und Frieden
Laser, Röntgenstrahlen, die Untersuchung von Festkörpern und Sternen - all dies sind friedliche Anwendungen des Wissens über Quanten. Unsere Welt ist jedoch voller Bedrohungen, und jeder versucht, sich zu schützen. Wissenschaft dient auch militärischen Zwecken. Sogar ein so rein theoretisches Phänomen wie die Quantisierung der Energie wurde von der Welt bewacht. Die Definition der Diskretion jeglicher Strahlung zum Beispiel bildete die Grundlage für Nuklearwaffen. Natürlich gibt es nur wenige seiner Kampfanwendungen - der Leser erinnert sich wahrscheinlich an Hiroshima und Nagasaki. Alle anderen Gründe, den begehrten roten Knopf zu drücken, waren mehr oder weniger friedlich. Auch stellt sich immer wieder die Frage der radioaktiven Belastung der Umwelt. Beispielsweise macht die oben angegebene Halbwertszeit von Plutonium die Landschaft, in die dieses Element eintritt, für sehr lange Zeit unbrauchbar, fast eine geologische Epoche.
Wasser und Leitungen
Kehren wir zur friedlichen Nutzung von Kernreaktionen zurück. Die Rede ist natürlich von der Stromerzeugung durch Kernsp altung. Der Ablauf sieht so aus:
Im KernIm Reaktor erscheinen zuerst freie Neutronen und treffen dann auf ein radioaktives Element (normalerweise ein Uranisotop), das einem Alpha- oder Beta-Zerfall unterliegt.
Damit diese Reaktion nicht in ein unkontrolliertes Stadium gerät, enthält der Reaktorkern sogenannte Moderatoren. In der Regel handelt es sich dabei um Graphitstäbe, die Neutronen sehr gut absorbieren. Indem Sie ihre Länge anpassen, können Sie die Reaktionsgeschwindigkeit überwachen.
Dadurch verwandelt sich ein Element in ein anderes und es wird unglaublich viel Energie freigesetzt. Diese Energie wird von einem Behälter absorbiert, der mit sogenanntem schwerem Wasser (anstelle von Wasserstoff in Deuteriummolekülen) gefüllt ist. Durch den Kontakt mit dem Reaktorkern ist dieses Wasser stark mit radioaktiven Zerfallsprodukten belastet. Die Entsorgung dieses Wassers ist derzeit das größte Problem der Kernenergie.
Der zweite kommt in den ersten Wasserkreislauf, der dritte in den zweiten. Das Wasser des dritten Kreislaufs ist bereits sicher zu verwenden, und sie ist es, die die Turbine antreibt, die Strom erzeugt.
Trotz einer so großen Anzahl von Vermittlern zwischen den direkt erzeugenden Kernen und dem Endverbraucher (nicht zu vergessen die zig Kilometer Kabel, die auch Strom verlieren), liefert diese Reaktion eine unglaubliche Leistung. Beispielsweise kann ein Kernkraftwerk ein ganzes Gebiet mit vielen Industrien mit Strom versorgen.
