Este artigo fala sobre o que é quantização de energia e qual o significado desse fenômeno para a ciência moderna. A história da descoberta da discrição da energia é dada, bem como as áreas de aplicação da quantização de átomos.
Fim da Física
No final do século XIX, os cientistas enfrentaram um dilema: no então nível de desenvolvimento tecnológico, todas as leis possíveis da física foram descobertas, descritas e estudadas. Alunos que tinham habilidades altamente desenvolvidas no campo das ciências naturais não foram aconselhados pelos professores a escolher a física. Eles acreditavam que não era mais possível se tornar famoso nele, havia apenas um trabalho rotineiro para estudar pequenos detalhes. Isso era mais adequado para uma pessoa atenta, em vez de uma talentosa. No entanto, a foto, que foi mais uma descoberta divertida, deu motivos para pensar. Tudo começou com simples inconsistências. Para começar, descobriu-se que a luz não era totalmente contínua: sob certas condições, a queima do hidrogênio deixava uma série de linhas na chapa fotográfica em vez de um único ponto. Além disso, descobriu-se que os espectros de hélio tinhammais linhas do que os espectros de hidrogênio. Em seguida, verificou-se que o rastro de algumas estrelas é diferente de outras. E a pura curiosidade forçou os pesquisadores a colocar manualmente uma experiência atrás da outra em busca de respostas para perguntas. Eles não pensaram na aplicação comercial de suas descobertas.
Planck e quantum
Felizmente para nós, esse avanço na física foi acompanhado pelo desenvolvimento da matemática. Porque a explicação do que estava acontecendo se encaixava em fórmulas incrivelmente complexas. Em 1900, Max Planck, trabalhando na teoria da radiação do corpo negro, descobriu que a energia é quantizada. Descreva brevemente o significado desta afirmação é bastante simples. Qualquer partícula elementar só pode estar em alguns estados específicos. Se fornecermos um modelo aproximado, o contador de tais estados poderá mostrar os números 1, 3, 8, 13, 29, 138. E todos os outros valores entre eles são inacessíveis. Vamos revelar as razões para isso um pouco mais tarde. No entanto, se você se aprofundar na história dessa descoberta, vale notar que o próprio cientista, até o fim de sua vida, considerava a quantização de energia apenas um truque matemático conveniente, não dotado de significado físico sério.
Onda e Massa
O início do século XX foi repleto de descobertas relacionadas ao mundo das partículas elementares. Mas o grande mistério era o seguinte paradoxo: em alguns casos, as partículas se comportavam como objetos com massa (e, consequentemente, momento) e, em alguns casos, como uma onda. Depois de um longo e teimoso debate, tive que chegar a uma conclusão incrível: elétrons, prótons enêutrons têm essas propriedades ao mesmo tempo. Esse fenômeno foi chamado de dualismo de onda corpuscular (no discurso de cientistas russos duzentos anos atrás, uma partícula era chamada de corpúsculo). Assim, um elétron é uma certa massa, como se estivesse espalhado em uma onda de uma certa frequência. Um elétron que gira em torno do núcleo de um átomo sobrepõe infinitamente suas ondas umas sobre as outras. Consequentemente, apenas a certas distâncias do centro (que dependem do comprimento de onda) as ondas de elétrons, girando, não se cancelam. Isso acontece quando, quando a "cabeça" de um elétron de onda é sobreposta à sua "cauda", os máximos coincidem com os máximos e os mínimos coincidem com os mínimos. Isso explica a quantização da energia de um átomo, ou seja, a presença de órbitas estritamente definidas nele, nas quais um elétron pode existir.
Nanocavalo esférico no vácuo
No entanto, sistemas reais são incrivelmente complexos. Obedecendo à lógica descrita acima, pode-se ainda compreender o sistema de órbitas dos elétrons no hidrogênio e no hélio. No entanto, cálculos mais complexos já são necessários. Para aprender a entendê-los, os estudantes modernos estudam a quantização da energia das partículas em um poço potencial. Para começar, um poço de formato ideal e um único modelo de elétron são escolhidos. Para eles, eles resolvem a equação de Schrödinger, encontram os níveis de energia em que o elétron pode estar. Depois disso, eles aprendem a procurar dependências introduzindo cada vez mais variáveis: a largura e a profundidade do poço, a energia e a frequência do elétron perdem sua certeza, adicionando complexidade às equações. Mais distantea forma do poço muda (por exemplo, torna-se quadrado ou irregular no perfil, suas bordas perdem sua simetria), são tomadas partículas elementares hipotéticas com características especificadas. E só assim eles aprendem a resolver problemas que envolvem a quantização da energia de radiação de átomos reais e sistemas ainda mais complexos.
Momento, momento angular
No entanto, o nível de energia de, digamos, um elétron é uma quantidade mais ou menos compreensível. De uma forma ou de outra, todos imaginam que a maior energia das baterias do aquecimento central corresponde a uma temperatura mais elevada no apartamento. Assim, a quantização de energia ainda pode ser imaginada especulativamente. Há também conceitos na física que são difíceis de compreender intuitivamente. No macrocosmo, o momento é o produto da velocidade pela massa (não esqueça que a velocidade, assim como o momento, é uma quantidade vetorial, ou seja, depende da direção). É graças ao impulso que fica claro que uma pedra de tamanho médio voando lentamente só deixará uma contusão se atingir uma pessoa, enquanto uma pequena bala disparada em grande velocidade perfurará o corpo por completo. No microcosmo, o momento é uma quantidade que caracteriza a conexão de uma partícula com o espaço circundante, bem como sua capacidade de se mover e interagir com outras partículas. Este último depende diretamente da energia. Assim, fica claro que a quantização de energia e momento de uma partícula deve estar interligada. Além disso, a constante h, que denota a menor porção possível de um fenômeno físico e mostra a discrição das quantidades, é incluída na fórmula eenergia e momento de partículas no nanomundo. Mas há um conceito ainda mais distante da consciência intuitiva - o momento do impulso. Refere-se a corpos em rotação e indica que massa e com que velocidade angular gira. Lembre-se de que a velocidade angular indica a quantidade de rotação por unidade de tempo. O momento angular também é capaz de dizer como se distribui a substância de um corpo em rotação: objetos com a mesma massa, mas concentrados próximos ao eixo de rotação ou na periferia, terão momento angular diferente. Como o leitor provavelmente já deve ter adivinhado, no mundo do átomo, a energia do momento angular é quantizada.
Quantum e laser
A influência da descoberta da discrição da energia e outras quantidades é óbvia. Um estudo detalhado do mundo só é possível graças ao quantum. Os métodos modernos de estudo da matéria, o uso de vários materiais e até a ciência de sua criação são uma continuação natural da compreensão do que é a quantização de energia. O princípio de operação e o uso de um laser não são exceção. Em geral, o laser é composto por três elementos principais: o fluido de trabalho, bombeamento e espelho refletor. O fluido de trabalho é escolhido de tal forma que existem dois níveis relativamente próximos de elétrons. O critério mais importante para esses níveis é o tempo de vida dos elétrons neles. Isto é, quanto tempo um elétron é capaz de resistir em um determinado estado antes de passar para uma posição mais baixa e mais estável. Dos dois níveis, o superior deve ser o mais duradouro. Em seguida, o bombeamento (geralmente com uma lâmpada convencional, às vezes com uma lâmpada infravermelha) fornece os elétronsenergia suficiente para que todos eles se reúnam no nível mais alto de energia e se acumulem lá. Isso é chamado de população de nível inverso. Além disso, algum elétron passa para um estado mais baixo e mais estável com a emissão de um fóton, o que causa a quebra de todos os elétrons para baixo. A peculiaridade desse processo é que todos os fótons resultantes têm o mesmo comprimento de onda e são coerentes. No entanto, o corpo de trabalho, em regra, é bastante grande e nele são gerados fluxos, direcionados em diferentes direções. O papel do espelho refletor é filtrar apenas os fluxos de fótons que são direcionados em uma direção. Como resultado, a saída é um feixe intenso e estreito de ondas coerentes do mesmo comprimento de onda. A princípio, isso era considerado possível apenas em estado sólido. O primeiro laser tinha um rubi artificial como meio de trabalho. Agora existem lasers de todos os tipos e tipos - em líquidos, gases e até em reações químicas. Como o leitor vê, o papel principal neste processo é desempenhado pela absorção e emissão de luz pelo átomo. Neste caso, a quantização de energia é apenas a base para descrever a teoria.
Luz e elétron
Lembre-se de que a transição de um elétron em um átomo de uma órbita para outra é acompanhada por emissão ou absorção de energia. Essa energia aparece na forma de um quantum de luz ou de um fóton. Formalmente, um fóton é uma partícula, mas difere de outros habitantes do nanomundo. Um fóton não tem massa, mas tem momento. Isso foi comprovado pelo cientista russo Lebedev em 1899, demonstrando claramente a pressão da luz. Um fóton existe apenas em movimento e sua velocidadeigual à velocidade da luz. É o objeto mais rápido possível em nosso universo. A velocidade da luz (normalmente denotada pelo pequeno "c" latino) é de cerca de trezentos mil quilômetros por segundo. Por exemplo, o tamanho da nossa galáxia (não a maior em termos espaciais) é de cerca de cem mil anos-luz. Ao colidir com a matéria, o fóton fornece sua energia completamente, como se estivesse se dissolvendo neste caso. A energia de um fóton que é liberada ou absorvida quando um elétron se move de uma órbita para outra depende da distância entre as órbitas. Se for pequeno, é emitida radiação infravermelha de baixa energia, se for grande, obtém-se ultravioleta.
Raios-X e radiação gama
A escala eletromagnética após o ultravioleta contém raios-X e radiação gama. Em geral, eles se sobrepõem em comprimento de onda, frequência e energia em uma faixa bastante ampla. Ou seja, existe um fóton de raios X com comprimento de onda de 5 picômetros e um fóton gama com o mesmo comprimento de onda. Eles diferem apenas na forma como são recebidos. Os raios X ocorrem na presença de elétrons muito rápidos, e a radiação gama é obtida apenas nos processos de decaimento e fusão de núcleos atômicos. O raio-X é dividido em macio (usando-o para mostrar através dos pulmões e ossos de uma pessoa) e duro (geralmente necessário apenas para fins industriais ou de pesquisa). Se você acelerar o elétron com muita força e depois desacelerá-lo bruscamente (por exemplo, direcionando-o para um corpo sólido), ele emitirá fótons de raios-X. Quando esses elétrons colidem com a matéria, os átomos-alvo se rompemelétrons das camadas inferiores. Nesse caso, os elétrons das camadas superiores tomam seu lugar, emitindo também raios X durante a transição.
Gamma quanta ocorrem em outros casos. Os núcleos dos átomos, embora consistam em muitas partículas elementares, também são pequenos em tamanho, o que significa que são caracterizados pela quantização de energia. A transição dos núcleos de um estado excitado para um estado inferior é precisamente acompanhada pela emissão de raios gama. Qualquer reação de decaimento ou fusão de núcleos ocorre, inclusive com o aparecimento de fótons gama.
Reação Nuclear
Um pouco acima mencionamos que os núcleos atômicos também obedecem às leis do mundo quântico. Mas existem substâncias na natureza com núcleos tão grandes que se tornam instáveis. Eles tendem a se decompor em componentes menores e mais estáveis. Estes, como o leitor provavelmente já adivinha, incluem, por exemplo, plutônio e urânio. Quando nosso planeta se formou a partir de um disco protoplanetário, continha uma certa quantidade de substâncias radioativas. Com o tempo, eles decaíram, transformando-se em outros elementos químicos. Mas ainda assim, uma certa quantidade de urânio não decomposto sobreviveu até hoje, e por sua quantidade pode-se julgar, por exemplo, a idade da Terra. Para elementos químicos que possuem radioatividade natural, existe uma característica como meia-vida. Este é o período de tempo durante o qual o número de átomos restantes deste tipo será reduzido pela metade. A meia-vida do plutônio, por exemplo, ocorre em vinte e quatro mil anos. No entanto, além da radioatividade natural, também é forçada. Quando bombardeados com partículas alfa pesadas ou nêutrons leves, os núcleos dos átomos se separam. Neste caso, distinguem-se três tipos de radiação ionizante: partículas alfa, partículas beta, raios gama. O decaimento beta faz com que a carga nuclear mude em um. As partículas alfa retiram dois pósitrons do núcleo. A radiação gama não tem carga e não é desviada por um campo eletromagnético, mas tem o maior poder de penetração. A quantização de energia ocorre em todos os casos de decaimento nuclear.
Guerra e Paz
Lasers, raios X, o estudo de sólidos e estrelas - tudo isso são aplicações pacíficas do conhecimento sobre quanta. No entanto, nosso mundo está cheio de ameaças e todos procuram se proteger. A ciência também serve a propósitos militares. Mesmo um fenômeno puramente teórico como a quantização da energia foi colocado em guarda do mundo. A definição da discrição de qualquer radiação, por exemplo, formou a base das armas nucleares. Claro, existem apenas algumas de suas aplicações de combate - o leitor provavelmente se lembra de Hiroshima e Nagasaki. Todas as outras razões para pressionar o cobiçado botão vermelho foram mais ou menos pacíficas. Além disso, há sempre a questão da contaminação radioativa do meio ambiente. Por exemplo, a meia-vida do plutônio, indicada acima, torna inutilizável a paisagem em que esse elemento entra por muito tempo, quase uma época geológica.
Água e fios
Voltemos ao uso pacífico das reações nucleares. Estamos falando, é claro, da geração de eletricidade por fissão nuclear. O processo fica assim:
No núcleoNo reator, os nêutrons livres aparecem primeiro e depois atingem um elemento radioativo (geralmente um isótopo de urânio), que sofre decaimento alfa ou beta.
Para evitar que essa reação entre em um estágio descontrolado, o núcleo do reator contém os chamados moderadores. Como regra, são hastes de grafite, que absorvem muito bem os nêutrons. Ajustando seu comprimento, você pode monitorar a taxa de reação.
Como resultado, um elemento se transforma em outro e uma quantidade incrível de energia é liberada. Essa energia é absorvida por um recipiente cheio da chamada água pesada (em vez de hidrogênio nas moléculas de deutério). Como resultado do contato com o núcleo do reator, esta água é fortemente contaminada com produtos de decaimento radioativo. O descarte dessa água é o maior problema da energia nuclear no momento.
O segundo é colocado no primeiro circuito de água, o terceiro é colocado no segundo. A água do terceiro circuito já é segura para uso, e é ela quem aciona a turbina, que gera eletricidade.
Apesar de um número tão grande de intermediários entre os núcleos geradores diretos e o consumidor final (não vamos esquecer as dezenas de quilômetros de fios que também perdem energia), essa reação fornece uma potência incrível. Por exemplo, uma usina nuclear pode fornecer eletricidade para uma área inteira com muitas indústrias.
