Bu məqalə enerjinin kvantlaşdırılmasının nə olmasından və bu fenomenin müasir elm üçün hansı əhəmiyyət kəsb etdiyindən bəhs edir. Enerjinin diskretliyinin kəşf tarixi, eləcə də atomların kvantlaşdırılmasının tətbiq sahələri verilmişdir.
Fizikanın sonu
XIX əsrin sonunda elm adamları dilemma ilə üzləşdilər: o zaman texnologiyanın inkişafı səviyyəsində fizikanın bütün mümkün qanunları kəşf edildi, təsvir edildi və öyrənildi. Təbiət elmləri sahəsində yüksək inkişaf etmiş şagirdlərə müəllimlər fizikanı seçməyi məsləhət görmürdülər. Onlar inanırdılar ki, artıq orada məşhur olmaq mümkün deyil, yalnız xırda xırda detalları öyrənmək üçün gündəlik iş var. Bu, istedadlı insana deyil, diqqətli insana daha çox yaraşırdı. Lakin daha çox əyləncəli kəşf olan foto düşünməyə əsas verib. Hər şey sadə uyğunsuzluqlarla başladı. Başlamaq üçün, işığın tamamilə davamlı olmadığı ortaya çıxdı: müəyyən şərtlər altında, yanan hidrogen foto lövhəsində tək bir ləkə əvəzinə bir sıra xəttlər buraxdı. Daha sonra helium spektrlərinin olduğu ortaya çıxdıhidrogen spektrlərindən daha çox xətlər. Sonra məlum oldu ki, bəzi ulduzların izi digərlərindən fərqlidir. Və sırf maraq tədqiqatçıları suallara cavab axtarışında bir-birinin ardınca əl ilə təcrübə qoymağa məcbur etdi. Onlar kəşflərinin kommersiya tətbiqi haqqında düşünmürdülər.
Plank və kvant
Xoşbəxtlikdən bizim üçün fizikada bu sıçrayış riyaziyyatın inkişafı ilə müşayiət olundu. Çünki baş verənlərin izahı inanılmaz dərəcədə mürəkkəb düsturlara uyğun gəlirdi. 1900-cü ildə Maks Plank qara cisim şüalanması nəzəriyyəsi üzərində işləyərək enerjinin kvantlaşdırıldığını öyrəndi. Bu ifadənin mənasını qısaca izah etmək olduqca sadədir. İstənilən elementar hissəcik yalnız bəzi spesifik vəziyyətdə ola bilər. Kobud bir model versək, belə vəziyyətlərin sayğacı 1, 3, 8, 13, 29, 138 rəqəmlərini göstərə bilər. Onların arasında olan bütün digər dəyərlər əlçatmazdır. Bunun səbəblərini bir az sonra açıqlayacağıq. Bununla belə, bu kəşfin tarixinə nəzər salsanız, qeyd etmək lazımdır ki, alimin özü də ömrünün sonuna kimi enerjinin kvantlaşdırılmasını ciddi fiziki məna kəsb etməyən, yalnız rahat riyazi hiylə hesab edirdi.
Dalğa və Kütlə
XX əsrin əvvəlləri elementar hissəciklər dünyası ilə bağlı kəşflərlə dolu idi. Lakin böyük sirr aşağıdakı paradoks idi: bəzi hallarda hissəciklər özlərini kütləsi (və müvafiq olaraq, impulsu) olan cisimlər kimi, bəzi hallarda isə dalğa kimi aparırdılar. Uzun və inadkar mübahisədən sonra inanılmaz bir nəticəyə gəlməli oldum: elektronlar, protonlar vəneytronlar eyni zamanda bu xassələrə malikdirlər. Bu fenomen korpuskulyar-dalğa dualizmi adlanırdı (iki yüz il əvvəl rus alimlərinin nitqində hissəcik korpuskula adlanırdı). Beləliklə, elektron müəyyən bir kütlədir, sanki müəyyən bir tezlik dalğasına bulaşmışdır. Atomun nüvəsi ətrafında fırlanan elektron dalğalarını sonsuz olaraq bir-birinin üstünə qoyur. Nəticədə, yalnız mərkəzdən müəyyən məsafələrdə (dalğa uzunluğundan asılı olaraq) fırlanan elektron dalğaları bir-birini ləğv etmir. Bu, dalğa elektronunun “başı” onun “quyruğuna” qoyulduqda, maksimallar maksimallarla, minimumlar isə minimumlarla üst-üstə düşəndə baş verir. Bu, atomun enerjisinin kvantlaşdırılmasını, yəni onda elektronun mövcud ola biləcəyi ciddi şəkildə müəyyən edilmiş orbitlərin olmasını izah edir.
Vakuumda sferik nanohorse
Lakin real sistemlər inanılmaz dərəcədə mürəkkəbdir. Yuxarıda təsvir olunan məntiqə əməl etməklə, hidrogen və heliumdakı elektronların orbitləri sistemini hələ də başa düşmək olar. Bununla belə, əlavə mürəkkəb hesablamalar artıq tələb olunur. Onları başa düşməyi öyrənmək üçün müasir tələbələr potensial quyuda hissəcik enerjisinin kvantlaşdırılmasını öyrənirlər. Başlamaq üçün ideal formalı quyu və tək model elektron seçilir. Onlar üçün Şrödinger tənliyini həll edir, elektronun ola biləcəyi enerji səviyyələrini tapırlar. Bundan sonra onlar getdikcə daha çox dəyişən təqdim etməklə asılılıqları axtarmağı öyrənirlər: quyunun eni və dərinliyi, elektronun enerjisi və tezliyi öz əminliyini itirərək tənliklərə mürəkkəblik əlavə edir. Dahaçuxurun forması dəyişir (məsələn, profildə kvadrat və ya kələ-kötür olur, kənarları simmetriyasını itirir), müəyyən edilmiş xüsusiyyətlərə malik hipotetik elementar hissəciklər alınır. Və yalnız bundan sonra onlar real atomların və daha mürəkkəb sistemlərin şüalanma enerjisinin kvantlaşdırılmasını nəzərdə tutan problemləri həll etməyi öyrənirlər.
Momentum, bucaq impulsu
Lakin, məsələn, elektronun enerji səviyyəsi az-çox başa düşülən kəmiyyətdir. Bu və ya digər şəkildə, hər kəs mərkəzi istilik batareyalarının daha yüksək enerjisinin mənzildə daha yüksək temperatura uyğun olduğunu təsəvvür edir. Müvafiq olaraq, enerjinin kvantlaşdırılması hələ də spekulyativ olaraq təsəvvür edilə bilər. Fizikada intuitiv olaraq dərk edilməsi çətin olan anlayışlar da var. Makrokosmosda impuls sürət və kütlənin məhsuludur (unutmayın ki, sürət də impuls kimi vektor kəmiyyətdir, yəni istiqamətdən asılıdır). Məhz təcil sayəsində aydın olur ki, yavaş-yavaş uçan orta ölçülü bir daşın insana dəydiyi halda ancaq qançır qalacağı, böyük sürətlə atılan kiçik bir güllənin isə bədəni bir-birindən deşəcəyi aydın olur. Mikrokosmosda impuls elə bir kəmiyyətdir ki, zərrəciyin ətrafdakı kosmosla əlaqəsini, həmçinin onun hərəkət və digər hissəciklərlə qarşılıqlı əlaqəsini xarakterizə edir. Sonuncu birbaşa enerjidən asılıdır. Beləliklə, aydın olur ki, zərrəciyin enerjisinin və impulsunun kvantlaşdırılması bir-biri ilə əlaqəli olmalıdır. Bundan əlavə, fiziki hadisənin mümkün olan ən kiçik hissəsini ifadə edən və kəmiyyətlərin diskretliyini göstərən h sabiti düstura vənanodünyada hissəciklərin enerjisi və impulsu. Ancaq intuitiv şüurdan daha da uzaq bir anlayış var - impuls anı. O, fırlanan cisimlərə aiddir və hansı kütlə və hansı bucaq sürəti ilə fırlandığını göstərir. Xatırladaq ki, bucaq sürəti vahid vaxtda fırlanma miqdarını göstərir. Bucaq impulsu fırlanan cismin maddəsinin necə paylandığını da söyləyə bilir: eyni kütləyə malik, lakin fırlanma oxunun yaxınlığında və ya periferiyada cəmlənmiş cisimlər fərqli bucaq impulsuna sahib olacaqlar. Oxucunun yəqin ki, artıq təxmin etdiyi kimi, atom dünyasında bucaq momentinin enerjisi kvantlaşdırılır.
Kvant və lazer
Enerjinin və digər kəmiyyətlərin diskretliyinin kəşfinin təsiri göz qabağındadır. Dünyanın ətraflı tədqiqi yalnız kvant sayəsində mümkündür. Maddənin öyrənilməsinin müasir üsulları, müxtəlif materiallardan istifadə və hətta onların yaradılması elmi enerjinin kvantlaşdırılmasının nə olduğunu başa düşməyin təbii davamıdır. Lazerin işləmə prinsipi və istifadəsi istisna deyil. Ümumiyyətlə, lazer üç əsas elementdən ibarətdir: işçi maye, nasos və əks etdirən güzgü. İşçi maye elə seçilir ki, onda elektronlar üçün nisbətən yaxın iki səviyyə mövcuddur. Bu səviyyələr üçün ən mühüm kriteriya onların üzərindəki elektronların ömrüdür. Yəni bir elektron daha aşağı və daha sabit mövqeyə keçməzdən əvvəl müəyyən bir vəziyyətdə nə qədər dayana bilir. İki səviyyədən yuxarı olan daha uzun ömürlü olmalıdır. Sonra nasos (tez-tez adi lampa ilə, bəzən infraqırmızı lampa ilə) elektronları verironların hamısının enerjinin ən yüksək səviyyəsində toplanması və orada toplanması üçün kifayət qədər enerji. Buna tərs səviyyəli əhali deyilir. Bundan əlavə, bir elektron fotonun emissiyası ilə daha aşağı və daha sabit bir vəziyyətə keçir, bu da bütün elektronların aşağıya doğru parçalanmasına səbəb olur. Bu prosesin özəlliyi ondan ibarətdir ki, yaranan bütün fotonlar eyni dalğa uzunluğuna malikdir və koherentdir. Bununla birlikdə, işçi orqan, bir qayda olaraq, kifayət qədər böyükdür və içərisində müxtəlif istiqamətlərə yönəldilmiş axınlar yaranır. Yansıtıcı güzgünün rolu yalnız bir istiqamətə yönəldilmiş foton axınlarını süzməkdir. Nəticədə, çıxış eyni dalğa uzunluğunun koherent dalğalarının dar intensiv şüasıdır. Əvvəlcə bu, yalnız möhkəm vəziyyətdə mümkün hesab edildi. İlk lazerdə işləyən mühit kimi süni yaqut var idi. İndi hər növ və növ lazerlər var - mayelər, qazlar və hətta kimyəvi reaksiyalar üzərində. Oxucunun gördüyü kimi, bu prosesdə əsas rolu işığın atom tərəfindən udulması və emissiyası oynayır. Bu halda, enerjinin kvantlaşdırılması nəzəriyyəni təsvir etmək üçün yalnız əsasdır.
İşıq və elektron
Xatırladaq ki, atomdakı elektronun bir orbitdən digər orbitə keçməsi enerjinin ya emissiyası, ya da udulması ilə müşayiət olunur. Bu enerji işıq kvantı və ya foton şəklində görünür. Formal olaraq, foton bir hissəcikdir, lakin o, nanodünyanın digər sakinlərindən fərqlənir. Fotonun kütləsi yoxdur, amma impulsu var. Bunu 1899-cu ildə rus alimi Lebedev işığın təzyiqini aydın nümayiş etdirərək sübut etdi. Foton yalnız hərəkətdə və sürətində mövcuddurişıq sürətinə bərabərdir. Kainatımızda mümkün olan ən sürətli obyektdir. İşığın sürəti (standart olaraq kiçik Latın "c" ilə qeyd olunur) saniyədə üç yüz min kilometrə yaxındır. Məsələn, qalaktikamızın ölçüsü (kosmos baxımından ən böyüyü deyil) təxminən yüz min işıq ilidir. Maddə ilə toqquşan foton ona enerjisini tamamilə verir, sanki bu halda həll olur. Bir elektron bir orbitdən digərinə hərəkət edərkən buraxılan və ya udulan fotonun enerjisi orbitlər arasındakı məsafədən asılıdır. Kiçikdirsə, aşağı enerjili infraqırmızı şüalar yayılır, böyükdürsə, ultrabənövşəyi alınır.
Rentgen və qamma şüalanması
Ultrabənövşəyi şüalardan sonra elektromaqnit şkalasında rentgen və qamma şüalanması var. Ümumiyyətlə, onlar kifayət qədər geniş diapazonda dalğa uzunluğu, tezlik və enerji baxımından üst-üstə düşürlər. Yəni dalğa uzunluğu 5 pikometr olan rentgen fotonu və eyni dalğa uzunluğuna malik qamma fotonu var. Onlar yalnız alınma üsulu ilə fərqlənirlər. X-şüaları çox sürətli elektronların iştirakı ilə baş verir və qamma şüalanması yalnız atom nüvələrinin parçalanması və birləşməsi proseslərində əldə edilir. X-şüaları yumşaq (bir insanın ağciyərləri və sümükləri vasitəsilə göstərmək üçün istifadə olunur) və sərt (adətən yalnız sənaye və ya tədqiqat məqsədləri üçün lazımdır) bölünür. Əgər siz elektronu çox güclü sürətləndirsəniz, sonra isə onu kəskin yavaşlatsanız (məsələn, onu bərk cismə yönəltməklə), o zaman o, rentgen fotonlarını buraxacaq. Belə elektronlar maddə ilə toqquşduqda hədəf atomlar qopuraşağı təbəqələrdən elektronlar. Bu zaman üst qabıqların elektronları öz yerlərini tutur, həmçinin keçid zamanı rentgen şüaları yayar.
Qamma kvantları digər hallarda baş verir. Atomların nüvələri çoxlu elementar hissəciklərdən ibarət olsalar da, ölçülərinə görə də kiçikdirlər, bu da onların enerji kvantlaşması ilə xarakterizə olunduğunu bildirir. Nüvələrin həyəcanlanmış vəziyyətdən aşağı vəziyyətə keçməsi dəqiq olaraq qamma şüalarının emissiyası ilə müşayiət olunur. Nüvələrin parçalanması və ya birləşməsinin istənilən reaksiyası, o cümlədən qamma fotonların görünüşü ilə baş verir.
Nüvə reaksiyası
Bir qədər yuxarıda qeyd etdik ki, atom nüvələri də kvant dünyasının qanunlarına tabedir. Amma təbiətdə elə böyük nüvəli maddələr var ki, onlar qeyri-sabit olurlar. Onlar daha kiçik və daha sabit komponentlərə parçalanmağa meyllidirlər. Oxucunun yəqin ki, artıq təxmin etdiyi kimi bunlara, məsələn, plutonium və uran daxildir. Planetimiz protoplanetar diskdən yarananda onun tərkibində müəyyən miqdarda radioaktiv maddələr var idi. Zamanla onlar çürüyərək digər kimyəvi elementlərə çevrildilər. Ancaq yenə də müəyyən bir miqdarda çürüməmiş uranın bu günə qədər sağ qalmışdır və onun miqdarına görə, məsələn, Yerin yaşını mühakimə etmək olar. Təbii radioaktivliyə malik kimyəvi elementlər üçün yarı ömrü kimi bir xüsusiyyət var. Bu, bu tip qalan atomların sayının yarıya qədər azalacağı müddətdir. Məsələn, plutoniumun yarı ömrü iyirmi dörd min il ərzində baş verir. Ancaq təbii radioaktivliyə əlavə olaraq, məcburi də var. Ağır alfa hissəcikləri və ya yüngül neytronlarla bombardman edildikdə, atomların nüvələri parçalanır. Bu halda ionlaşdırıcı şüalanmanın üç növü fərqləndirilir: alfa hissəcikləri, beta hissəcikləri, qamma şüaları. Beta parçalanması nüvə yükünün bir dəfə dəyişməsinə səbəb olur. Alfa hissəcikləri nüvədən iki pozitron alır. Qamma şüalanmasının heç bir yükü yoxdur və elektromaqnit sahəsi ilə yönləndirilmir, lakin ən yüksək nüfuzetmə gücünə malikdir. Enerjinin kvantlaşdırılması bütün nüvə parçalanması hallarında baş verir.
Müharibə və Sülh
Lazerlər, rentgen şüaları, bərk cisimlərin və ulduzların tədqiqi - bütün bunlar kvantlar haqqında biliklərin dinc tətbiqləridir. Bununla belə, dünyamız təhlükələrlə doludur və hər kəs özünü qorumağa çalışır. Elm də hərbi məqsədlərə xidmət edir. Hətta enerjinin kvantlaşdırılması kimi sırf nəzəri hadisə də dünyanın keşiyində dayanıb. Hər hansı bir radiasiyanın diskretliyinin tərifi, məsələn, nüvə silahının əsasını təşkil etdi. Əlbəttə ki, onun döyüş tətbiqləri yalnız bir neçəsidir - oxucu yəqin ki, Xirosima və Naqasakini xatırlayır. İstənilən qırmızı düyməni basmaq üçün bütün digər səbəblər az-çox dinc idi. Həm də ətraf mühitin radioaktiv çirklənməsi məsələsi həmişə var. Məsələn, yuxarıda göstərilən plutoniumun yarı ömrü bu elementin daxil olduğu mənzərəni çox uzun müddət, demək olar ki, geoloji dövr üçün yararsız hala gətirir.
Su və naqillər
Gəlin nüvə reaksiyalarının dinc məqsədlərlə istifadəsinə qayıdaq. Söhbət, əlbəttə ki, nüvə parçalanması ilə elektrik enerjisinin istehsalından gedir. Proses belə görünür:
ƏsasdaReaktorda əvvəlcə sərbəst neytronlar peyda olur və sonra onlar alfa və ya beta parçalanmasına məruz qalan radioaktiv elementə (adətən uranın izotopu) dəyirlər.
Bu reaksiyanın nəzarətsiz mərhələyə keçməsinin qarşısını almaq üçün reaktorun nüvəsində moderatorlar adlanan elementlər var. Bir qayda olaraq, bunlar neytronları çox yaxşı qəbul edən qrafit çubuqlardır. Onların uzunluğunu tənzimləməklə siz reaksiya sürətinə nəzarət edə bilərsiniz.
Nəticədə bir element digərinə çevrilir və inanılmaz miqdarda enerji ayrılır. Bu enerji sözdə ağır su ilə doldurulmuş bir qab tərəfindən udulur (deyterium molekullarında hidrogen əvəzinə). Reaktorun nüvəsi ilə təmas nəticəsində bu su radioaktiv parçalanma məhsulları ilə güclü şəkildə çirklənir. Hazırda nüvə enerjisinin ən böyük problemi məhz bu suyun utilizasiyasıdır.
İkincisi birinci su dövrəsinə, üçüncüsü ikinciyə yerləşdirilir. Üçüncü dövrənin suyundan istifadə etmək artıq təhlükəsizdir və elektrik enerjisi istehsal edən turbini fırlanan odur.
Birbaşa yaradan nüvələr ilə son istehlakçı arasında belə çox sayda vasitəçi olmasına baxmayaraq (onlarla kilometrlik naqilləri də unutmayaq ki, onlar da güc itirirlər), bu reaksiya inanılmaz güc verir. Məsələn, bir atom elektrik stansiyası bir çox sənayenin olduğu bütün ərazini elektrik enerjisi ilə təmin edə bilər.
