Bài báo này nói về lượng tử hóa năng lượng là gì và hiện tượng này có ý nghĩa như thế nào đối với khoa học hiện đại. Lịch sử khám phá ra tính rời rạc của năng lượng cũng như các lĩnh vực ứng dụng của quá trình lượng tử hóa nguyên tử.
Kết thúc môn Vật lý
Vào cuối thế kỷ 19, các nhà khoa học phải đối mặt với một tình huống khó xử: ở trình độ phát triển công nghệ lúc bấy giờ, tất cả các định luật vật lý có thể có đều được khám phá, mô tả và nghiên cứu. Những học sinh có khả năng phát triển cao trong lĩnh vực khoa học tự nhiên đã không được giáo viên khuyên chọn vật lý. Bọn họ cho rằng không còn có thể thành danh trong đó, chỉ có công việc thường ngày nghiên cứu tiểu tiết. Điều này phù hợp với một người chu đáo hơn là một người có năng khiếu. Tuy nhiên, bức ảnh, vốn là một khám phá giải trí hơn, đã đưa ra lý do để suy nghĩ. Tất cả bắt đầu với những mâu thuẫn đơn giản. Đầu tiên, hóa ra ánh sáng không hoàn toàn liên tục: trong một số điều kiện nhất định, việc đốt cháy hydro để lại một loạt các vạch trên tấm ảnh thay vì một vết. Hơn nữa, hóa ra quang phổ của heli cónhiều vạch hơn quang phổ của hiđro. Sau đó, người ta thấy rằng dấu vết của một số ngôi sao khác với những ngôi sao khác. Và sự tò mò thuần túy đã buộc các nhà nghiên cứu phải đặt hết kinh nghiệm này đến trải nghiệm khác theo cách thủ công để tìm kiếm câu trả lời cho các câu hỏi. Họ không nghĩ đến việc áp dụng thương mại những khám phá của họ.
Planck và lượng tử
May mắn thay cho chúng tôi, bước đột phá này trong vật lý đã đi kèm với sự phát triển của toán học. Bởi vì lời giải thích về những gì đang xảy ra phù hợp với những công thức vô cùng phức tạp. Năm 1900, Max Planck, nghiên cứu về lý thuyết bức xạ vật đen, đã phát hiện ra rằng năng lượng được lượng tử hóa. Mô tả ngắn gọn ý nghĩa của câu nói này là khá đơn giản. Bất kỳ hạt cơ bản nào cũng chỉ có thể ở một số trạng thái cụ thể. Nếu chúng ta đưa ra một mô hình thô, thì bộ đếm của các trạng thái như vậy có thể hiển thị các số 1, 3, 8, 13, 29, 138. Và tất cả các giá trị khác giữa chúng đều không thể truy cập được. Chúng tôi sẽ tiết lộ lý do cho điều này sau một chút. Tuy nhiên, nếu bạn đi sâu vào lịch sử của khám phá này, cần lưu ý rằng bản thân nhà khoa học, cho đến cuối đời, coi lượng tử hóa năng lượng chỉ là một thủ thuật toán học tiện lợi, không mang ý nghĩa vật lý nghiêm túc.
Sóng và Khối lượng
Đầu thế kỷ XX đầy ắp những khám phá liên quan đến thế giới của các hạt cơ bản. Nhưng bí ẩn lớn là nghịch lý sau: trong một số trường hợp, các hạt hoạt động giống như các vật thể có khối lượng (và theo đó là động lượng), và trong một số trường hợp, giống như một làn sóng. Sau cuộc tranh luận dai dẳng và gay go, tôi đã phải đi đến một kết luận đáng kinh ngạc: electron, proton vàneutron đồng thời có những đặc tính này. Hiện tượng này được gọi là thuyết nhị nguyên sóng cơ (trong bài phát biểu của các nhà khoa học Nga hai trăm năm trước, một hạt được gọi là tiểu thể). Do đó, một electron là một khối lượng nhất định, như thể được bôi thành một làn sóng có tần số nhất định. Một êlectron quay xung quanh hạt nhân của nguyên tử liên tục chồng các sóng của nó lên nhau. Do đó, chỉ ở những khoảng cách nhất định từ tâm (phụ thuộc vào bước sóng), các sóng điện tử, quay, không triệt tiêu lẫn nhau. Điều này xảy ra khi "đầu" của một electron sóng được chồng lên "đuôi" của nó, thì cực đại trùng với cực đại và cực tiểu trùng với cực tiểu. Điều này giải thích sự lượng tử hóa năng lượng của một nguyên tử, tức là sự hiện diện của các quỹ đạo được xác định chặt chẽ trong đó, trên đó một electron có thể tồn tại.
Ngựa nano hình cầu trong chân không
Tuy nhiên, các hệ thống thực phức tạp vô cùng. Tuân theo logic mô tả ở trên, người ta vẫn có thể hiểu được hệ thống quỹ đạo của các electron trong hydro và heli. Tuy nhiên, các tính toán phức tạp hơn nữa đã được yêu cầu. Để học cách hiểu chúng, các sinh viên hiện đại nghiên cứu quá trình lượng tử hóa năng lượng hạt trong một giếng tiềm năng. Để bắt đầu, một giếng có hình dạng lý tưởng và một điện tử mô hình duy nhất được chọn. Đối với họ, họ giải phương trình Schrödinger, tìm các mức năng lượng mà electron có thể ở đó. Sau đó, họ học cách tìm kiếm sự phụ thuộc bằng cách đưa vào ngày càng nhiều biến số: chiều rộng và độ sâu của giếng, năng lượng và tần số của electron làm mất đi tính chắc chắn, tăng thêm độ phức tạp cho các phương trình. Thêm nữahình dạng của hố thay đổi (ví dụ, nó trở thành hình vuông hoặc răng cưa trong biên dạng, các cạnh của nó mất tính đối xứng của chúng), các hạt cơ bản giả định với các đặc điểm cụ thể được lấy. Và chỉ sau đó, họ mới học cách giải quyết các vấn đề liên quan đến lượng tử hóa năng lượng bức xạ của các nguyên tử thực và các hệ thống phức tạp hơn nữa.
Mômen động lượng, mômen động lượng
Tuy nhiên, mức năng lượng của electron là một đại lượng ít nhiều có thể hiểu được. Bằng cách này hay cách khác, mọi người đều tưởng tượng rằng năng lượng cao hơn của pin sưởi ấm trung tâm tương ứng với nhiệt độ cao hơn trong căn hộ. Theo đó, việc lượng tử hóa năng lượng vẫn có thể được hình dung một cách phỏng đoán. Ngoài ra còn có những khái niệm trong vật lý rất khó để hiểu một cách trực quan. Trong macrocosm, động lượng là tích của vận tốc và khối lượng (đừng quên rằng vận tốc, giống như động lượng, là một đại lượng vectơ, nghĩa là nó phụ thuộc vào hướng). Chính nhờ động lượng mà rõ ràng một viên đá cỡ vừa bay chậm chỉ để lại vết bầm nếu trúng người, trong khi viên đạn nhỏ bắn ra với tốc độ lớn sẽ đâm xuyên qua người. Trong mô hình thu nhỏ, động lượng là một đại lượng đặc trưng cho mối liên hệ của một hạt với không gian xung quanh, cũng như khả năng di chuyển và tương tác của nó với các hạt khác. Sau này phụ thuộc trực tiếp vào năng lượng. Do đó, rõ ràng là quá trình lượng tử hóa năng lượng và động lượng của một hạt phải có mối liên hệ với nhau. Hơn nữa, hằng số h, biểu thị phần nhỏ nhất có thể có của một hiện tượng vật lý và cho thấy sự rời rạc của các đại lượng, được bao gồm trong công thức vànăng lượng và động lượng của các hạt trong thế giới nano. Nhưng có một khái niệm thậm chí còn xa vời hơn so với nhận thức trực quan - khoảnh khắc của sự thôi thúc. Nó đề cập đến các vật thể quay và cho biết khối lượng và vận tốc góc quay là bao nhiêu. Nhớ lại rằng vận tốc góc cho biết lượng quay trong một đơn vị thời gian. Mômen động lượng còn cho biết cách phân bố chất của một vật quay: các vật có cùng khối lượng nhưng tập trung ở gần trục quay hoặc ở ngoại vi sẽ có mômen động lượng khác nhau. Như người đọc có lẽ đã đoán, trong thế giới của nguyên tử, năng lượng của mômen động lượng được lượng tử hóa.
Lượng tử và laser
Ảnh hưởng của việc khám phá ra tính rời rạc của năng lượng và các đại lượng khác là rõ ràng. Một nghiên cứu chi tiết về thế giới chỉ có thể nhờ vào lượng tử. Các phương pháp hiện đại nghiên cứu vật chất, việc sử dụng các vật liệu khác nhau, và thậm chí là khoa học tạo ra chúng là sự tiếp tục tự nhiên của việc hiểu lượng tử hóa năng lượng là gì. Nguyên lý hoạt động và công dụng của tia laser cũng không ngoại lệ. Nói chung, laser bao gồm ba yếu tố chính: chất lỏng làm việc, bơm và gương phản xạ. Chất lỏng làm việc được chọn theo cách mà hai mức tương đối gần nhau đối với các điện tử tồn tại trong nó. Tiêu chí quan trọng nhất cho các mức này là thời gian tồn tại của các electron trên chúng. Nghĩa là, một electron có thể giữ được bao lâu ở một trạng thái nhất định trước khi chuyển đến một vị trí thấp hơn và ổn định hơn. Trong hai cấp độ, cấp độ cao hơn sẽ có tuổi thọ cao hơn. Sau đó, bơm (thường bằng đèn thông thường, đôi khi bằng đèn hồng ngoại) cho các điện tửđủ năng lượng để tất cả chúng tập hợp ở mức năng lượng cao nhất và tích tụ ở đó. Đây được gọi là dân số mức nghịch đảo. Hơn nữa, một số điện tử chuyển sang trạng thái thấp hơn và ổn định hơn với sự phát xạ của một photon, gây ra sự phân hủy tất cả các điện tử hướng xuống. Điểm đặc biệt của quá trình này là tất cả các photon tạo thành đều có cùng bước sóng và kết hợp với nhau. Tuy nhiên, theo quy luật, cơ quan làm việc là khá lớn, và các dòng chảy được tạo ra trong đó, hướng theo các hướng khác nhau. Vai trò của gương phản xạ là chỉ lọc ra những luồng photon hướng theo một hướng. Kết quả là, đầu ra là một chùm sóng kết hợp cường độ hẹp có cùng bước sóng. Lúc đầu, điều này được coi là chỉ có thể thực hiện được ở trạng thái rắn. Tia laser đầu tiên có một viên hồng ngọc nhân tạo làm môi trường làm việc. Bây giờ có đủ loại tia laser - trên chất lỏng, chất khí, và thậm chí cả trên các phản ứng hóa học. Như người đọc thấy, vai trò chính trong quá trình này là do nguyên tử hấp thụ và phát xạ ánh sáng. Trong trường hợp này, lượng tử hóa năng lượng chỉ là cơ sở để mô tả lý thuyết.
Ánh sáng và electron
Nhớ lại rằng sự chuyển đổi của một electron trong nguyên tử từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác kèm theo sự phát xạ hoặc hấp thụ năng lượng. Năng lượng này xuất hiện dưới dạng lượng tử ánh sáng hoặc photon. Về mặt hình thức, photon là một hạt, nhưng nó khác với những cư dân khác của thế giới nano. Một photon không có khối lượng, nhưng nó có động lượng. Điều này đã được nhà khoa học người Nga Lebedev chứng minh vào năm 1899, thể hiện rõ ràng áp suất của ánh sáng. Một photon chỉ tồn tại trong chuyển động và tốc độ của nóbằng tốc độ ánh sáng. Nó là vật thể nhanh nhất có thể trong vũ trụ của chúng ta. Tốc độ ánh sáng (ký hiệu tiêu chuẩn bằng chữ "c" nhỏ trong tiếng Latinh) là khoảng ba trăm nghìn km mỗi giây. Ví dụ, kích thước của thiên hà của chúng ta (không phải là lớn nhất về mặt không gian) là khoảng một trăm nghìn năm ánh sáng. Va chạm với vật chất, photon cung cấp cho nó năng lượng hoàn toàn, như thể tan biến trong trường hợp này. Năng lượng của một photon được giải phóng hoặc hấp thụ khi một electron chuyển từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác phụ thuộc vào khoảng cách giữa các quỹ đạo. Nếu nó nhỏ, bức xạ hồng ngoại có năng lượng thấp sẽ được phát ra, nếu nó lớn thì sẽ thu được tia cực tím.
Bức xạ tia X và gamma
Thang đo điện từ sau tia cực tím chứa bức xạ tia X và gamma. Nhìn chung, chúng trùng nhau về bước sóng, tần số và năng lượng trong một phạm vi khá rộng. Tức là, có một photon tia X có bước sóng 5 picômét và một photon gamma có cùng bước sóng. Chúng chỉ khác nhau ở cách chúng được nhận. Tia X xảy ra với sự có mặt của các electron rất nhanh, và bức xạ gamma chỉ thu được trong các quá trình phân rã và nhiệt hạch của các hạt nhân nguyên tử. X-quang được chia thành mềm (sử dụng nó để hiển thị qua phổi và xương của một người) và cứng (thường chỉ cần thiết cho các mục đích công nghiệp hoặc nghiên cứu). Nếu bạn tăng tốc electron rất mạnh, và sau đó giảm tốc mạnh (ví dụ, bằng cách hướng nó vào một vật rắn), thì nó sẽ phát ra các photon tia X. Khi các electron như vậy va chạm với vật chất, các nguyên tử mục tiêu sẽ vỡ racác electron từ các lớp vỏ thấp hơn. Trong trường hợp này, các electron của các lớp vỏ phía trên thế chỗ, cũng phát ra tia X trong quá trình chuyển đổi.
Lượng tử gamma xảy ra trong các trường hợp khác. Hạt nhân của nguyên tử, mặc dù chúng bao gồm nhiều hạt cơ bản, nhưng cũng có kích thước nhỏ, nghĩa là chúng có đặc điểm là lượng tử hóa năng lượng. Sự chuyển đổi của hạt nhân từ trạng thái kích thích sang trạng thái thấp hơn chính xác là kèm theo sự phát ra tia gamma. Bất kỳ phản ứng phân rã hoặc phản ứng tổng hợp nào của các hạt nhân đều diễn ra, kể cả khi có sự xuất hiện của các photon gamma.
Phản ứng hạt nhân
Cao hơn một chút chúng ta đã đề cập rằng hạt nhân nguyên tử cũng tuân theo các quy luật của thế giới lượng tử. Nhưng có những chất trong tự nhiên có hạt nhân lớn đến mức chúng trở nên không bền. Chúng có xu hướng chia nhỏ thành các thành phần nhỏ hơn và ổn định hơn. Những thứ này, như người đọc có thể đã đoán, chẳng hạn như plutonium và uranium. Khi hành tinh của chúng ta hình thành từ một đĩa tiền hành tinh, nó có một lượng chất phóng xạ nhất định trong đó. Theo thời gian, chúng bị phân hủy, biến thành các nguyên tố hóa học khác. Nhưng vẫn còn, một lượng uranium chưa phân hủy nhất định vẫn tồn tại cho đến ngày nay, và bằng số lượng của nó, người ta có thể đánh giá, ví dụ, tuổi của Trái đất. Đối với các nguyên tố hóa học có tính phóng xạ tự nhiên, có đặc điểm như chu kỳ bán rã. Đây là khoảng thời gian mà số nguyên tử còn lại của loại này sẽ giảm đi một nửa. Ví dụ, chu kỳ bán rã của plutonium xảy ra trong 24 nghìn năm. Tuy nhiên, ngoài tính phóng xạ tự nhiên, còn có sự cưỡng bức. Khi bị bắn phá bằng các hạt alpha nặng hoặc neutron nhẹ, hạt nhân của các nguyên tử bị vỡ ra. Trong trường hợp này, người ta phân biệt ba loại bức xạ ion hóa: hạt alpha, hạt beta, tia gamma. Sự phân rã beta làm cho điện tích hạt nhân thay đổi một. Hạt anpha lấy hai pozitron từ hạt nhân. Bức xạ gamma không có điện tích và không bị điện từ trường làm lệch hướng, nhưng nó có công suất đâm xuyên cao nhất. Lượng tử hóa năng lượng xảy ra trong mọi trường hợp phân rã hạt nhân.
Chiến tranh và Hòa bình
Tia laze, tia X, nghiên cứu về chất rắn và các ngôi sao - tất cả đều là những ứng dụng hòa bình của kiến thức về lượng tử. Tuy nhiên, thế giới của chúng ta đầy rẫy những mối đe dọa, và mọi người đều tìm cách bảo vệ mình. Khoa học cũng phục vụ các mục đích quân sự. Ngay cả một hiện tượng lý thuyết thuần túy như lượng tử hóa năng lượng cũng đã được thế giới đề phòng. Ví dụ, định nghĩa về tính rời rạc của bất kỳ bức xạ nào, là cơ sở của vũ khí hạt nhân. Tất nhiên, chỉ có một số ứng dụng chiến đấu của nó - chắc hẳn người đọc còn nhớ Hiroshima và Nagasaki. Tất cả những lý do khác để nhấn nút đỏ thèm muốn đều ít nhiều yên bình. Ngoài ra, luôn có câu hỏi về sự ô nhiễm phóng xạ của môi trường. Ví dụ: chu kỳ bán rã của plutonium, được chỉ ra ở trên, làm cho cảnh quan mà nguyên tố này đi vào không thể sử dụng được trong một thời gian rất dài, gần như là một kỷ nguyên địa chất.
Nước và dây điện
Hãy quay trở lại việc sử dụng phản ứng hạt nhân một cách hòa bình. Tất nhiên, chúng ta đang nói về việc tạo ra điện bằng quá trình phân hạch hạt nhân. Quá trình trông như thế này:
Trong cốt lõiTrong lò phản ứng, neutron tự do đầu tiên xuất hiện, sau đó chúng va vào một nguyên tố phóng xạ (thường là một đồng vị của uranium), chúng trải qua quá trình phân rã alpha hoặc beta.
Để ngăn phản ứng này đi vào giai đoạn mất kiểm soát, lõi lò phản ứng có chứa cái gọi là chất điều tiết. Theo quy luật, đây là những thanh graphit, hấp thụ neutron rất tốt. Bằng cách điều chỉnh độ dài của chúng, bạn có thể theo dõi tốc độ phản ứng.
Kết quả là, một phần tử này biến thành một phần tử khác, và một lượng năng lượng đáng kinh ngạc được giải phóng. Năng lượng này được hấp thụ bởi một bình chứa đầy cái gọi là nước nặng (thay vì hydro trong phân tử đơteri). Do tiếp xúc với lõi lò phản ứng, nước này bị ô nhiễm nặng với các sản phẩm phân rã phóng xạ. Việc thải bỏ nguồn nước này là vấn đề lớn nhất của năng lượng hạt nhân tại thời điểm hiện tại.
Cái thứ hai đặt vào mạch nước thứ nhất, cái thứ ba đặt vào mạch nước thứ hai. Nước của mạch thứ ba đã an toàn để sử dụng, và chính cô ấy là người quay tua-bin, tạo ra điện.
Mặc dù có một số lượng lớn trung gian giữa các lõi trực tiếp tạo ra và người tiêu dùng cuối cùng (đừng quên hàng chục km dây điện cũng bị mất điện), phản ứng này cung cấp sức mạnh đáng kinh ngạc. Ví dụ, một nhà máy điện hạt nhân có thể cung cấp điện cho toàn bộ khu vực với nhiều ngành công nghiệp.
