Artikel ini membahas tentang apa itu kuantisasi energi dan apa pentingnya fenomena ini bagi sains modern. Sejarah penemuan diskrit energi diberikan, serta area penerapan kuantisasi atom.
Akhir Fisika
Pada akhir abad kesembilan belas, para ilmuwan menghadapi dilema: pada tingkat perkembangan teknologi saat itu, semua hukum fisika yang mungkin ditemukan, dijelaskan, dan dipelajari. Siswa yang memiliki kemampuan yang sangat berkembang di bidang IPA tidak disarankan oleh guru untuk memilih fisika. Mereka percaya bahwa tidak mungkin lagi menjadi terkenal di dalamnya, hanya ada pekerjaan rutin untuk mempelajari detail kecil kecil. Ini lebih cocok untuk orang yang penuh perhatian, daripada yang berbakat. Namun, foto itu, yang lebih merupakan penemuan yang menghibur, memberi alasan untuk berpikir. Semuanya dimulai dengan inkonsistensi sederhana. Pertama-tama, ternyata cahaya itu tidak sepenuhnya kontinu: dalam kondisi tertentu, hidrogen yang terbakar meninggalkan serangkaian garis pada pelat fotografi, bukannya satu titik. Selanjutnya ternyata spektrum helium memilikilebih banyak garis daripada spektrum hidrogen. Kemudian ditemukan bahwa jejak beberapa bintang berbeda dari yang lain. Dan rasa ingin tahu yang murni memaksa para peneliti untuk secara manual menempatkan satu demi satu pengalaman untuk mencari jawaban atas pertanyaan. Mereka tidak memikirkan aplikasi komersial dari penemuan mereka.
Planck dan kuantum
Untungnya bagi kami, terobosan dalam fisika ini disertai dengan perkembangan matematika. Karena penjelasan tentang apa yang terjadi cocok dengan formula yang sangat kompleks. Pada tahun 1900, Max Planck, yang mengerjakan teori radiasi benda hitam, menemukan bahwa energi terkuantisasi. Jelaskan secara singkat arti dari pernyataan ini cukup sederhana. Setiap partikel elementer hanya dapat berada di beberapa keadaan tertentu. Jika kita memberikan model kasar, maka penghitung status tersebut dapat menunjukkan angka 1, 3, 8, 13, 29, 138. Dan semua nilai lain di antara mereka tidak dapat diakses. Kami akan mengungkapkan alasannya nanti. Namun, jika Anda mempelajari sejarah penemuan ini, perlu dicatat bahwa ilmuwan itu sendiri, sampai akhir hayatnya, menganggap kuantisasi energi hanya sebagai trik matematika yang nyaman, tidak diberkahi dengan makna fisik yang serius.
Gelombang dan Massa
Awal abad ke-20 penuh dengan penemuan-penemuan yang berhubungan dengan dunia partikel elementer. Tetapi misteri besarnya adalah paradoks berikut: dalam beberapa kasus, partikel berperilaku seperti objek dengan massa (dan, karenanya, momentum), dan dalam beberapa kasus, seperti gelombang. Setelah perdebatan panjang dan keras kepala, saya harus sampai pada kesimpulan yang luar biasa: elektron, proton, danneutron memiliki sifat-sifat ini pada saat yang bersamaan. Fenomena ini disebut dualisme gelombang sel (dalam pidato ilmuwan Rusia dua ratus tahun yang lalu, sebuah partikel disebut sel darah). Jadi, elektron adalah massa tertentu, seolah-olah dioleskan menjadi gelombang dengan frekuensi tertentu. Sebuah elektron yang berputar di sekitar inti atom tanpa henti melapiskan gelombangnya di atas satu sama lain. Akibatnya, hanya pada jarak tertentu dari pusat (yang bergantung pada panjang gelombang) gelombang elektron, yang berputar, tidak saling meniadakan. Ini terjadi ketika, ketika "kepala" elektron gelombang ditumpangkan pada "ekornya", maxima bertepatan dengan maxima, dan minima bertepatan dengan minima. Ini menjelaskan kuantisasi energi atom, yaitu, keberadaan orbit yang ditentukan secara ketat di dalamnya, di mana elektron dapat berada.
Nanohorse berbentuk bola dalam ruang hampa
Namun, sistem nyata sangat kompleks. Mematuhi logika yang dijelaskan di atas, orang masih dapat memahami sistem orbit elektron dalam hidrogen dan helium. Namun, perhitungan kompleks lebih lanjut sudah diperlukan. Untuk mempelajari bagaimana memahaminya, siswa modern mempelajari kuantisasi energi partikel dalam sumur potensial. Untuk memulainya, sebuah sumur berbentuk ideal dan sebuah model elektron tunggal dipilih. Bagi mereka, mereka memecahkan persamaan Schrödinger, menemukan tingkat energi di mana elektron dapat berada. Setelah itu, mereka belajar mencari ketergantungan dengan memperkenalkan lebih banyak variabel: lebar dan kedalaman sumur, energi dan frekuensi elektron kehilangan kepastiannya, menambah kompleksitas persamaan. Lebih jauhbentuk lubang berubah (misalnya, menjadi persegi atau bergerigi dalam profil, ujung-ujungnya kehilangan simetri), partikel dasar hipotetis dengan karakteristik tertentu diambil. Dan baru kemudian mereka belajar memecahkan masalah yang melibatkan kuantisasi energi radiasi atom nyata dan bahkan sistem yang lebih kompleks.
Momentum, momentum sudut
Namun, tingkat energi, katakanlah, elektron adalah besaran yang kurang lebih dapat dipahami. Dengan satu atau lain cara, semua orang membayangkan bahwa energi yang lebih tinggi dari baterai pemanas sentral sesuai dengan suhu yang lebih tinggi di apartemen. Dengan demikian, kuantisasi energi masih dapat dibayangkan secara spekulatif. Ada juga konsep dalam fisika yang sulit dipahami secara intuitif. Dalam makrokosmos, momentum adalah produk dari kecepatan dan massa (jangan lupa bahwa kecepatan, seperti momentum, adalah besaran vektor, yaitu bergantung pada arah). Berkat momentumnya, jelas bahwa batu berukuran sedang yang terbang perlahan hanya akan meninggalkan memar jika mengenai seseorang, sementara peluru kecil yang ditembakkan dengan kecepatan tinggi akan menembus tubuh terus menerus. Dalam mikrokosmos, momentum adalah suatu besaran yang mencirikan hubungan suatu partikel dengan ruang sekitarnya, serta kemampuannya untuk bergerak dan berinteraksi dengan partikel lain. Yang terakhir secara langsung tergantung pada energi. Dengan demikian, menjadi jelas bahwa kuantisasi energi dan momentum suatu partikel harus saling berhubungan. Selain itu, konstanta h, yang menunjukkan bagian terkecil yang mungkin dari fenomena fisik dan menunjukkan diskrit kuantitas, termasuk dalam rumus danenergi dan momentum partikel di dunia nano. Tetapi ada konsep yang lebih jauh dari kesadaran intuitif - momen impuls. Ini mengacu pada benda yang berputar dan menunjukkan massa apa dan dengan kecepatan sudut berapa yang berputar. Ingat bahwa kecepatan sudut menunjukkan jumlah rotasi per satuan waktu. Momentum sudut juga dapat menunjukkan bagaimana zat dari benda yang berputar didistribusikan: benda dengan massa yang sama, tetapi terkonsentrasi di dekat sumbu rotasi atau di pinggiran, akan memiliki momentum sudut yang berbeda. Sebagai pembaca mungkin sudah menebak, di dunia atom, energi momentum sudut terkuantisasi.
Kuantum dan laser
Pengaruh penemuan diskrit energi dan besaran lain sangat jelas. Sebuah studi rinci tentang dunia hanya mungkin berkat kuantum. Metode modern untuk mempelajari materi, penggunaan berbagai bahan, dan bahkan ilmu penciptaannya merupakan kelanjutan alami dari pemahaman apa itu kuantisasi energi. Prinsip operasi dan penggunaan laser tidak terkecuali. Secara umum, laser terdiri dari tiga elemen utama: fluida kerja, pemompaan, dan cermin pemantul. Fluida kerja dipilih sedemikian rupa sehingga ada dua tingkat elektron yang relatif dekat di dalamnya. Kriteria yang paling penting untuk tingkat ini adalah masa hidup elektron pada mereka. Artinya, berapa lama sebuah elektron mampu bertahan dalam keadaan tertentu sebelum pindah ke posisi yang lebih rendah dan lebih stabil. Dari dua tingkat, yang atas harus hidup lebih lama. Kemudian pemompaan (sering dengan lampu konvensional, kadang dengan lampu inframerah) memberikan elektronenergi yang cukup bagi mereka semua untuk berkumpul di tingkat energi tertinggi dan terakumulasi di sana. Ini disebut populasi tingkat terbalik. Selanjutnya, beberapa elektron berpindah ke keadaan yang lebih rendah dan lebih stabil dengan emisi foton, yang menyebabkan pemecahan semua elektron ke bawah. Keunikan dari proses ini adalah semua foton yang dihasilkan memiliki panjang gelombang yang sama dan koheren. Namun, benda kerja, sebagai suatu peraturan, cukup besar, dan aliran dihasilkan di dalamnya, diarahkan ke arah yang berbeda. Peran cermin pemantul adalah menyaring hanya aliran foton yang diarahkan ke satu arah. Akibatnya, outputnya adalah berkas gelombang koheren yang sempit dan intens dengan panjang gelombang yang sama. Pada awalnya, ini dianggap hanya mungkin dalam keadaan padat. Laser pertama memiliki batu rubi buatan sebagai media kerjanya. Sekarang ada laser dari semua jenis dan jenis - pada cairan, gas, dan bahkan pada reaksi kimia. Seperti yang pembaca lihat, peran utama dalam proses ini dimainkan oleh penyerapan dan emisi cahaya oleh atom. Dalam hal ini, kuantisasi energi hanyalah dasar untuk menjelaskan teori.
Cahaya dan elektron
Ingat bahwa transisi elektron dalam atom dari satu orbit ke orbit lain disertai dengan emisi atau penyerapan energi. Energi ini muncul dalam bentuk kuantum cahaya atau foton. Secara formal, foton adalah partikel, tetapi berbeda dari penghuni dunia nano lainnya. Foton tidak memiliki massa, tetapi memiliki momentum. Ini dibuktikan oleh ilmuwan Rusia Lebedev pada tahun 1899, dengan jelas menunjukkan tekanan cahaya. Sebuah foton hanya ada dalam gerakan dan kecepatannyasama dengan kecepatan cahaya. Ini adalah objek tercepat di alam semesta kita. Kecepatan cahaya (biasanya dilambangkan dengan bahasa Latin kecil "c") adalah sekitar tiga ratus ribu kilometer per detik. Misalnya, ukuran galaksi kita (bukan yang terbesar dalam hal ruang) adalah sekitar seratus ribu tahun cahaya. Bertabrakan dengan materi, foton memberikan energinya sepenuhnya, seolah-olah larut dalam kasus ini. Energi foton yang dilepaskan atau diserap ketika elektron berpindah dari satu orbit ke orbit lainnya bergantung pada jarak antar orbit. Jika kecil, radiasi infra merah dengan energi rendah dipancarkan, jika besar, diperoleh ultraviolet.
sinar-X dan radiasi gamma
Skala elektromagnetik setelah ultraviolet mengandung sinar-X dan radiasi gamma. Secara umum, mereka tumpang tindih dalam panjang gelombang, frekuensi dan energi dalam rentang yang cukup luas. Artinya, terdapat foton sinar-X dengan panjang gelombang 5 pikometer dan foton gamma dengan panjang gelombang yang sama. Mereka berbeda hanya dalam cara mereka diterima. Sinar-X terjadi dengan adanya elektron yang sangat cepat, dan radiasi gamma diperoleh hanya dalam proses peluruhan dan fusi inti atom. Sinar-X dibagi menjadi lunak (menggunakannya untuk menunjukkan melalui paru-paru dan tulang seseorang) dan keras (biasanya diperlukan hanya untuk keperluan industri atau penelitian). Jika Anda mempercepat elektron dengan sangat kuat, dan kemudian memperlambatnya dengan tajam (misalnya, dengan mengarahkannya ke benda padat), maka elektron akan memancarkan foton sinar-X. Ketika elektron tersebut bertabrakan dengan materi, atom target pecahelektron dari kulit yang lebih rendah. Dalam hal ini, elektron dari kulit atas menggantikannya, juga memancarkan sinar-X selama transisi.
Gamma quanta terjadi dalam kasus lain. Inti atom, meskipun terdiri dari banyak partikel elementer, juga berukuran kecil, yang berarti bahwa mereka dicirikan oleh kuantisasi energi. Transisi inti dari keadaan tereksitasi ke keadaan yang lebih rendah justru disertai dengan emisi sinar gamma. Setiap reaksi peluruhan atau fusi inti berlangsung, termasuk dengan munculnya foton gamma.
Reaksi nuklir
Sedikit lebih tinggi, kami menyebutkan bahwa inti atom juga mematuhi hukum dunia kuantum. Tetapi ada zat di alam dengan inti yang begitu besar sehingga menjadi tidak stabil. Mereka cenderung memecah menjadi komponen yang lebih kecil dan lebih stabil. Ini, seperti yang mungkin sudah ditebak oleh pembaca, termasuk, misalnya, plutonium dan uranium. Ketika planet kita terbentuk dari piringan protoplanet, ia memiliki sejumlah zat radioaktif di dalamnya. Seiring waktu, mereka membusuk, berubah menjadi unsur kimia lainnya. Tapi tetap saja, sejumlah uranium yang tidak membusuk telah bertahan hingga hari ini, dan dengan jumlahnya orang dapat menilai, misalnya, usia Bumi. Untuk unsur-unsur kimia yang memiliki radioaktivitas alami, ada karakteristik seperti waktu paruh. Ini adalah periode waktu di mana jumlah atom yang tersisa dari jenis ini akan menjadi setengahnya. Waktu paruh plutonium, misalnya, terjadi dalam dua puluh empat ribu tahun. Namun, selain radioaktivitas alam, ada juga yang dipaksakan. Ketika dibombardir dengan partikel alfa berat atau neutron ringan, inti atom pecah. Dalam hal ini, tiga jenis radiasi pengion dibedakan: partikel alfa, partikel beta, sinar gamma. Peluruhan beta menyebabkan muatan inti berubah satu. Partikel alfa mengambil dua positron dari inti. Radiasi gamma tidak bermuatan dan tidak dibelokkan oleh medan elektromagnetik, tetapi memiliki daya tembus tertinggi. Kuantisasi energi terjadi pada semua kasus peluruhan nuklir.
Perang dan Damai
Laser, sinar-x, studi tentang benda padat dan bintang - semua ini adalah aplikasi damai dari pengetahuan tentang kuanta. Namun, dunia kita penuh dengan ancaman, dan semua orang berusaha melindungi diri mereka sendiri. Sains juga melayani tujuan militer. Bahkan fenomena teoretis murni seperti kuantisasi energi telah diwaspadai oleh dunia. Definisi diskrit radiasi apa pun, misalnya, menjadi dasar senjata nuklir. Tentu saja, hanya ada beberapa aplikasi tempurnya - pembaca mungkin ingat Hiroshima dan Nagasaki. Semua alasan lain untuk menekan tombol merah yang didambakan itu kurang lebih damai. Juga, selalu ada pertanyaan tentang kontaminasi radioaktif terhadap lingkungan. Misalnya, waktu paruh plutonium, yang ditunjukkan di atas, membuat lanskap di mana elemen ini masuk tidak dapat digunakan untuk waktu yang sangat lama, hampir sebuah zaman geologis.
Air dan kabel
Mari kembali ke penggunaan reaksi nuklir untuk tujuan damai. Kita berbicara, tentu saja, tentang pembangkitan listrik dengan fisi nuklir. Prosesnya terlihat seperti ini:
Di intiDi dalam reaktor, neutron bebas pertama kali muncul, lalu menabrak elemen radioaktif (biasanya isotop uranium), yang mengalami peluruhan alfa atau beta.
Untuk mencegah reaksi ini masuk ke tahap yang tidak terkendali, teras reaktor berisi apa yang disebut moderator. Biasanya, ini adalah batang grafit, yang menyerap neutron dengan sangat baik. Dengan menyesuaikan panjangnya, Anda dapat memantau laju reaksi.
Akibatnya, satu elemen berubah menjadi elemen lain, dan sejumlah besar energi dilepaskan. Energi ini diserap oleh wadah berisi apa yang disebut air berat (bukan hidrogen dalam molekul deuterium). Sebagai hasil dari kontak dengan teras reaktor, air ini sangat terkontaminasi dengan produk peluruhan radioaktif. Pembuangan air inilah yang merupakan masalah terbesar energi nuklir saat ini.
Yang kedua ditempatkan di sirkuit air pertama, yang ketiga ditempatkan di yang kedua. Air dari sirkuit ketiga sudah aman digunakan, dan dialah yang memutar turbin, yang menghasilkan listrik.
Meskipun ada begitu banyak perantara antara inti pembangkit langsung dan konsumen akhir (jangan lupa puluhan kilometer kabel yang juga kehilangan daya), reaksi ini memberikan daya yang luar biasa. Misalnya, satu pembangkit listrik tenaga nuklir dapat memasok listrik ke seluruh area dengan banyak industri.
