Данная статья рассказывает о том, что такое квантование энергии и какое значение это явление имеет для современной науки. Приведена история открытия дискретности энергии, а также продемонстрированы области применения квантованности атомов.
Конец физики
В конце девятнадцатого века перед учеными встала дилемма: при существовавшем тогда уровне развития технологии все возможные законы физики были открыты, описаны и изучены. Ученикам, у которых были сильно развиты способности в области естественных наук, учителя не советовали выбирать физику. Они считали, что прославиться в ней уже невозможно, оставалась только рутинная работа по изучению мелких незначительных подробностей. Это больше подходило внимательному человеку, а не одаренному. Однако фотография, которая в большей степени была развлекательным открытием, дала повод задуматься. Началось все с простых несоответствий. Для начала оказалось, что свет не совсем сплошной: в определенных условиях горящий водород оставлял на фотопластинке ряд линий вместо одного пятна. Далее выяснилось, что спектры гелия имели больше линий, чем спектры водорода. Потом обнаружилось, что след одних звезд отличается от других. И чистое любопытство заставляло исследователей вручную ставить один опыт за другим в поисках ответов на вопросы. О коммерческом применении своих открытий они не задумывались.
Планк и квант
К счастью для нас, этот прорыв в физике сопровождался развитием математики. Потому что объяснения происходящего укладывалось в невероятно сложные формулы. В 1900 году Макс Планк, работая над теорией излучения абсолютно черного тела, выяснил, что происходит квантование энергии. Кратко рассказать о смысле данного высказывания достаточно просто. Любая элементарная частица может находиться только в некоторых конкретных состояниях. Если приводить грубую модель, то счетчик таких состояний может показывать числа 1, 3, 8, 13, 29, 138. А все остальные значения между ними недоступны. Причины этого мы раскроем немного позже. Однако, если погружаться в историю этого открытия, стоит отметить, что сам ученый до конца жизни считал квантование энергии лишь удобным математическим трюком, не наделенным серьезным физическим смыслом.
Волна и масса
Начало двадцатого века изобиловало открытиями, связанными с миром элементарных частиц. Но большую загадку составлял следующий парадокс: в каких-то случаях частицы вели себя как объекты, обладающие массой (и, соответственно, импульсом), а в каких-то – как волна. После долгих и упорных споров пришлось прийти к невероятному выводу: электроны, протоны и нейтроны обладают этими свойствами одновременно. Данное явление получило название корпускулярно-волнового дуализма (в речи русских ученых двести лет назад корпускулой называлась частица). Таким образом, электрон представляет собой некоторую массу, как бы размазанную в волну определенной частоты. Электрон, который вращается вокруг ядра атома, бесконечно накладывает свои волны друг на друга. Следовательно, только на определенных расстояниях от центра (которые зависят от длины волны) волны электрона, вращаясь, не гасят друг друга. Это происходит, когда при наложении «головы» волнового электрона на его «хвост» максимумы совпадают с максимумами, а минимумы – с минимумами. Таким образом объясняется квантование энергии атома, то есть наличие в нем строго определенных орбит, на которых может существовать электрон.
Сферический наноконь в вакууме
Однако реальные системы невероятно сложны. Повинуясь описанной выше логике, можно еще понять систему орбит электронов в водороде и гелии. Однако дальше уже требуются достаточно сложные расчеты. Чтобы научиться их понимать, современные студенты изучают квантование энергии частицы в потенциальной яме. Для начала выбирают идеальной формы яму и один-единственный модельный электрон. Для них решают уравнение Шредингера, находят уровни энергии, на которых электрон может находиться. После учатся искать зависимости, вводя все больше переменных: ширина и глубина ямы, энергия и частота электрона теряют определенность, добавляя сложности уравнениям. Далее меняется форма ямы (например, она становится квадратной или зубчатой в профиле, её края теряют симметричность), берутся гипотетические элементарные частицы с заданными характеристиками. И только потом учатся решать задачи, в которых фигурирует квантование энергии излучения реальных атомов и даже более сложных систем.
Импульс, момент импульса
Однако уровень энергии, допустим, электрона – это еще более-менее понятная величина. Все, так или иначе, но представляют, что более высокая энергия батарей центрального отопления соответствует более высокой температуре в квартире. Соответственно, квантование энергии еще можно представить себе умозрительно. Существуют и такие понятия в физике, которые осмыслить интуитивно сложно. В макромире импульс есть произведение скорости на массу (не забываем, что скорость, как и импульс – векторные величины, то есть зависят от направления). Именно благодаря импульсу понятно, что медленно летящий средней величины камень всего лишь оставит синяк, если попадет в человека, тогда как маленькая пулька, выпущенная с огромной скоростью, пробьет тело насквозь. В микромире же импульс – это такая величина, которая характеризует связь частицы с окружающим пространством, а также ее свойство перемещаться и взаимодействовать с другими частицами. Последнее непосредственно зависит от энергии. Таким образом, становится понятно, что квантование энергии и импульса частицы обязаны быть взаимосвязанными. Мало того, постоянная h, которая обозначает минимально возможную порцию физического явления и показывает дискретность величин, входит в формулу и энергии, и импульса частиц в наномире. Но есть понятие еще более далекое от интуитивного осознания – момент импульса. Относится оно к вращающимся телам и обозначает, какая масса и с какой угловой скоростью вращается. Напомним, угловая скорость показывает величину поворота в единицу времени. Момент импульса также способен сообщить способ распределения вещества вращающегося тела: объекты с одинаковой массой, но сосредоточенной около оси вращения или на периферии будут иметь разный момент импульса. Как читатель наверняка уже догадывается, в мире атома происходит квантование энергии момента импульса.
Квант и лазер
Влияние открытия дискретности энергии и других величин очевидно. Детальное изучение мира возможно только благодаря кванту. Современные способы изучения вещества, применение различных материалов и даже наука по их созданию – естественное продолжение понимания, что такое квантование энергии. Принцип действия и использование лазера – не исключение. Вообще, лазер состоит из трех основных элементов: рабочего тела, накачки и зеркала-отражателя. Рабочее тело выбирается таким образом, чтобы в нем существовали два относительно близких уровня для электронов. Самым главным критерием для этих уровней является время жизни электронов на них. То есть то, сколько электрон способен продержаться в определенном состоянии прежде, чем перейдет в более низкую и устойчивую позицию. Из двух уровней более долгоживущим должен быть верхний. Затем накачка (зачастую – обычная лампа, иногда - инфракрасная) придает электронам достаточно энергии, чтобы они все собрались на верхнем уровне энергии и скопились там. Это называется инверсная заселенность уровней. Далее какой-то один электрон переходит в более низкое и устойчивое состояние с испусканием фотона, что порождает срыв всех электронов вниз. Особенность этого процесса заключается в том, что все получающиеся при этом фотоны имеют одинаковую длину волны и когерентны. Однако рабочее тело, как правило, достаточно большое, и генерируются в нем потоки, направленные в разные стороны. Роль зеркала-отражателя состоит в том, чтобы отфильтровать только те потоки фотонов, которые направлены в одну сторону. В итоге на выходе получается узкий интенсивный пучок когерентных волн одной длины волны. Поначалу такое считалось возможным только в твердом теле. Первый лазер имел в качестве рабочего тела искусственный рубин. Теперь же есть лазеры всех видов и типов – на жидкостях, газе, и даже на химических реакциях. Как читатель видит, главную роль в данном процессе играет поглощение и испускание света атомом. Квантование энергии при этом является только основой для описания теории.
Свет и электрон
Напомним, что переход электрона в атоме с одной орбиты на другую сопровождается либо испусканием, либо поглощением энергии. Эта энергия предстает в виде кванта света или фотона. Формально фотон является частицей, однако от других обитателей наномира он отличается. Фотон не имеет массы, но обладает импульсом. Доказал это еще русский ученый Лебедев в 1899 году, наглядно продемонстрировав давление света. Фотон существует только в движении и его скорость равна скорости света. Это самый быстрый из возможных в нашей вселенной объект. Скорость света (стандартно обозначается маленькой латинской «с») составляет около трехсот тысяч километров в секунду. К примеру, размер нашей галактики (не самой большой по космическим меркам) составляет около ста тысяч световых лет. Сталкиваясь с веществом, фотон отдает ему свою энергию полностью, как бы растворяясь при этом. Энергия фотона, который выделяется или поглощается при переходе электрона с одной орбиты на другую, зависит от расстояния между орбитами. Если оно небольшое – выделяется инфракрасное излучение с низкой энергией, если большое – получается ультрафиолет.
Рентген и гамма-излучение
Электромагнитная шкала после ультрафиолета содержит рентген и гамма-излучение. Вообще они по длине волны, частоте и энергии перекрываются в достаточно широком диапазоне. То есть существует рентгеновский фотон с длиной волны 5 пикометров и гамма-фотон с такой же длиной волны. Отличаются они только способом получения. Рентген возникает при наличии очень быстрых электронов, а гамма-излучение получается только в процессах распада и слияния атомных ядер. Рентген делится на мягкий (с его помощью просвечивают легкие и кости человека) и жесткий (нужен обычно только в промышленных или исследовательских целях). Если очень сильно разогнать электрон, а потом резко затормозить его (например, направив в твердое тело), то он будет излучать рентгеновские фотоны. При столкновениях таких электронов с веществом, из атомов мишени вырываются электроны с нижних оболочек. При этом электроны верхних оболочек занимают их место, при переходе также испуская рентгеновские лучи.
Гамма-кванты возникают в других случаях. Ядра атомов, хоть они и состоят из многих элементарных частиц, тоже отличаются малыми размерами, а значит, им свойственно квантование энергии. Переход ядер из возбужденного состояния в более низкое, как раз и сопровождается испусканием гамма-квантов. Любая реакция распада или слияния ядер протекает, в том числе с возникновением гамма-фотонов.
Ядерная реакция
Чуть выше мы упоминали, что атомные ядра также подчиняются законам квантового мира. Но существуют в природе вещества с такими большими ядрами, что они становятся нестабильными. Они стремятся распасться на более маленькие и более устойчивые компоненты. К ним, как читатель уже, наверное, догадывается, относятся, например, плутоний и уран. Когда наша планета сформировалась из протопланетного диска, в ней было определенное количество радиоактивных веществ. С течением времени они распадались, превращаясь в другие химические элементы. Но все же до наших дней дошло некоторое количество нераспавшегося урана, и по его количеству можно судить, например, о возрасте Земли. Для химических элементов, которые обладают естественной радиоактивностью, существует такая характеристика, как время полураспада. Это период времени, за который количество оставшихся атомов этого вида уменьшится вдвое. Полураспад плутония, к примеру, происходит за двадцать четыре тысячи лет. Однако помимо естественной радиоактивности существует еще и вынужденная. Если бомбардировать тяжелыми альфа-частицами или легкими нейтронами ядра атомов, они раскалываются. При этом выделяются три вида ионизирующего излучения: альфа-частицы, бета-частицы, гамма-лучи. Бета-распад приводит к изменению заряда ядра на единицу. Альфа-частицы забирают у ядра два позитрона. Гамма-излучение не имеет заряда и электромагнитным полем не отклоняется, однако имеет наибольшую проникающую способность. Квантование энергии происходит во всех случаях распада ядра.
Война и мир
Лазеры, рентген, изучение твердых тел и звезд – все это мирные применения знаний о квантах. Однако наш мир полон угроз, и каждый стремится обезопасить себя. Наука служит и военным целям тоже. На стражу мира поставлено даже такое чисто теоретическое явление, как квантование энергии. Определение дискретности любого излучения, например, легло в основу ядерного оружия. Конечно, его боевого применений насчитываются единицы – наверняка читатель помнит Хиросиму и Нагасаки. Все остальные поводы нажать заветную красную кнопку были более или менее мирными. Также всегда остается вопрос радиоактивного загрязнения окружающей среды. Например, обозначенный выше полураспад плутония делает ландшафт, в который этот элемент попадет, непригодным для использования на очень долгий срок, практически на геологическую эпоху.
Вода и провода
Вернемся к мирному использованию ядерных реакций. Речь, конечно, идет о выработке электричества при помощи деления ядер. Этот процесс выглядит так:
В активной зоне реактора сначала возникают свободные нейтроны, а затем они бьют радиоактивный элемент (как правило, изотоп урана), который претерпевает альфа- или бета-распад.
Чтобы данная реакция не перешла в неконтролируемую стадию, активная зона реактора содержит так называемые замедлители. Как правило, это стержни из графита, которые очень хорошо поглощают нейтроны. Регулируя их длину, можно следить за скоростью реакции.
В результате один элемент превращается в другой, при этом выделяется невероятное количество энергии. Эта энергия поглощается емкостью, заполненной так называемой тяжелой водой (вместо водорода в молекулах дейтерий). В результате соприкосновения с активной зоной реактора эта вода сильно загрязняется продуктами радиоактивного распада. Именно утилизация этой воды является наибольшей проблемой ядерной энергетики на данный момент.
В первый водяной контур помещен второй, во второй – третий. Вода третьего контура уже безопасна для использования, и именно она крутит турбину, которая и вырабатывает электричество.
Несмотря на такое большое количество посредников между непосредственно выделяющими энергию ядрами и конечным потребителем (не будем забывать о десятках километрах проводов, на которых тоже происходит потеря мощности), эта реакция дает невероятную мощь. Например, одна атомная электростанция может снабжать электричеством целую область со множеством промышленных предприятий.
