يتحدث هذا المقال عن ماهية تكميم الطاقة وأهمية هذه الظاهرة للعلم الحديث. تم تقديم تاريخ اكتشاف عدم انتظام الطاقة ، وكذلك مجالات تطبيق تكميم الذرات.
نهاية الفيزياء
في نهاية القرن التاسع عشر ، واجه العلماء معضلة: على مستوى التطور التكنولوجي آنذاك ، تم اكتشاف جميع قوانين الفيزياء الممكنة ووصفها ودراستها. لم ينصح المدرسون الطلاب الذين لديهم قدرات عالية التطور في مجال العلوم الطبيعية باختيار الفيزياء. لقد اعتقدوا أنه لم يعد من الممكن أن تصبح مشهورًا فيه ، لم يكن هناك سوى عمل روتيني لدراسة التفاصيل الصغيرة الصغيرة. كان هذا أكثر ملاءمة لشخص يقظ ، وليس شخصًا موهوبًا. ومع ذلك ، فإن الصورة ، التي كانت اكتشافًا ترفيهيًا ، أعطت سببًا للتفكير. بدأ كل شيء مع تناقضات بسيطة. بادئ ذي بدء ، اتضح أن الضوء لم يكن مستمرًا تمامًا: في ظل ظروف معينة ، ترك الهيدروجين المحترق سلسلة من الخطوط على لوحة التصوير بدلاً من بقعة واحدة. علاوة على ذلك ، اتضح أن أطياف الهيليوم لهاخطوط أكثر من أطياف الهيدروجين. ثم تبين أن أثر بعض النجوم يختلف عن البعض الآخر. وأجبر الفضول الخالص الباحثين على وضع تجربة تلو الأخرى يدويًا بحثًا عن إجابات للأسئلة. لم يفكروا في التطبيق التجاري لاكتشافاتهم.
بلانك والكم
لحسن الحظ بالنسبة لنا ، كان هذا الاختراق في الفيزياء مصحوبًا بتطور الرياضيات. لأن شرح ما كان يحدث يتناسب مع الصيغ المعقدة بشكل لا يصدق. في عام 1900 ، اكتشف ماكس بلانك ، أثناء عمله على نظرية إشعاع الجسم الأسود ، أن الطاقة مكمَّلة. وصف بإيجاز معنى هذا البيان بسيط للغاية. يمكن أن يكون أي جسيم أولي في بعض الحالات المحددة فقط. إذا قدمنا نموذجًا تقريبيًا ، فيمكن لعداد هذه الحالات إظهار الأرقام 1 ، 3 ، 8 ، 13 ، 29 ، 138. ولا يمكن الوصول إلى جميع القيم الأخرى بينهما. سنكشف أسباب ذلك بعد قليل. ومع ذلك ، إذا تعمقت في تاريخ هذا الاكتشاف ، فمن الجدير بالذكر أن العالم نفسه ، حتى نهاية حياته ، كان يعتبر تكميم الطاقة مجرد خدعة رياضية مناسبة ، وليس له معنى فيزيائي خطير.
الموجة والكتلة
كانت بداية القرن العشرين مليئة بالاكتشافات المتعلقة بعالم الجسيمات الأولية. لكن اللغز الكبير كان المفارقة التالية: في بعض الحالات ، تصرفت الجسيمات كأشياء لها كتلة (وبالتالي ، الزخم) ، وفي بعض الحالات ، مثل الموجة. بعد نقاش طويل وعنيف ، كان علي أن أصل إلى نتيجة مذهلة: الإلكترونات والبروتونات وللنيوترونات هذه الخصائص في نفس الوقت. كانت هذه الظاهرة تسمى ثنائية الموجة الجسدية (في خطاب العلماء الروس قبل مائتي عام ، كان الجسيم يسمى الجسيم). وبالتالي ، فإن الإلكترون هو كتلة معينة ، كما لو كانت ملطخة في موجة ذات تردد معين. الإلكترون الذي يدور حول نواة ذرة يقوم بتركيب موجاته فوق بعضها البعض إلى ما لا نهاية. وبالتالي ، فقط على مسافات معينة من المركز (التي تعتمد على الطول الموجي) ، لا تلغي موجات الإلكترون ، التي تدور ، بعضها البعض. يحدث هذا عندما يتم تثبيت "رأس" الموجة الإلكترونية على "ذيلها" ، تتزامن القيمة القصوى مع الحد الأقصى ، وتتزامن الصغرى مع الصغرى. هذا ما يفسر تكميم طاقة الذرة ، أي وجود مدارات محددة بدقة ، والتي يمكن أن يوجد عليها الإلكترون.
حصان نانو كروي في الفراغ
ومع ذلك ، فإن الأنظمة الحقيقية معقدة بشكل لا يصدق. باتباع المنطق الموصوف أعلاه ، لا يزال بإمكان المرء فهم نظام مدارات الإلكترونات في الهيدروجين والهيليوم. ومع ذلك ، هناك حاجة بالفعل إلى مزيد من الحسابات المعقدة. لمعرفة كيفية فهمها ، يدرس الطلاب المعاصرون تكميم طاقة الجسيمات في بئر محتمل. بادئ ذي بدء ، يتم اختيار بئر ذات شكل مثالي ونموذج إلكترون واحد. بالنسبة لهم ، قاموا بحل معادلة شرودنجر ، وإيجاد مستويات الطاقة التي يمكن أن يكون عليها الإلكترون. بعد ذلك ، يتعلمون البحث عن التبعيات من خلال إدخال المزيد والمزيد من المتغيرات: عرض وعمق البئر ، تفقد طاقة وتكرار الإلكترون اليقين ، مما يضيف التعقيد إلى المعادلات. إضافييتغير شكل الحفرة (على سبيل المثال ، تصبح مربعة أو خشنة في المظهر الجانبي ، وتفقد حوافها تناسقها) ، ويتم أخذ الجسيمات الأولية الافتراضية ذات الخصائص المحددة. وعندها فقط يتعلمون حل المشكلات التي تنطوي على تكميم الطاقة الإشعاعية للذرات الحقيقية وحتى الأنظمة الأكثر تعقيدًا.
الزخم ، الزخم الزاوي
ومع ذلك ، فإن مستوى الطاقة ، على سبيل المثال ، الإلكترون هو كمية مفهومة إلى حد ما. بطريقة أو بأخرى ، يتخيل الجميع أن الطاقة الأعلى لبطاريات التدفئة المركزية تتوافق مع درجة حرارة أعلى في الشقة. وفقًا لذلك ، لا يزال من الممكن تصور تكميم الطاقة عن طريق المضاربة. هناك أيضًا مفاهيم في الفيزياء يصعب فهمها حدسيًا. في الكون الكبير ، الزخم هو نتاج السرعة والكتلة (لا تنس أن السرعة ، مثل الزخم ، هي كمية متجهة ، أي أنها تعتمد على الاتجاه). بفضل الزخم ، من الواضح أن الحجر المتوسط الحجم الذي يطير ببطء لن يترك كدمة إلا إذا أصاب شخصًا ، بينما الرصاصة الصغيرة التي يتم إطلاقها بسرعة كبيرة تخترق الجسم من خلاله. في العالم المصغر ، الزخم هو الكمية التي تميز اتصال الجسيم بالفضاء المحيط ، بالإضافة إلى قدرته على الحركة والتفاعل مع الجسيمات الأخرى. هذا الأخير يعتمد بشكل مباشر على الطاقة. وبالتالي ، يتضح أن تكميم الطاقة وزخم الجسيم يجب أن يكونا مترابطين. علاوة على ذلك ، يتم تضمين الثابت h ، الذي يشير إلى أصغر جزء ممكن من ظاهرة فيزيائية ويظهر التمييز في الكميات ، في الصيغة والطاقة وزخم الجسيمات في عالم النانو. ولكن هناك مفهوم أبعد من الإدراك الحدسي - لحظة الاندفاع. يشير إلى الأجسام الدوارة ويشير إلى الكتلة والسرعة الزاوية التي تدور. تذكر أن السرعة الزاوية تشير إلى مقدار الدوران لكل وحدة زمنية. الزخم الزاوي قادر أيضًا على تحديد طريقة توزيع مادة الجسم الدوار: الأجسام التي لها نفس الكتلة ، ولكنها مركزة بالقرب من محور الدوران أو على المحيط ، سيكون لها زخم زاوي مختلف. كما قد يخمن القارئ بالفعل ، في عالم الذرة ، يتم تحديد طاقة الزخم الزاوي.
الكم والليزر
تأثير اكتشاف تقديس الطاقة والكميات الأخرى واضح. دراسة مفصلة للعالم ممكنة فقط بفضل الكم. تعد الأساليب الحديثة في دراسة المادة ، واستخدام المواد المختلفة ، وحتى علم إنشائها استمرارًا طبيعيًا لفهم ماهية تكميم الطاقة. مبدأ التشغيل واستخدام الليزر ليس استثناء. بشكل عام ، يتكون الليزر من ثلاثة عناصر رئيسية: سائل العمل ، والمضخة ، والمرايا العاكسة. يتم اختيار مائع العمل بحيث يوجد فيه مستويين قريبين نسبيًا من الإلكترونات. أهم معيار لهذه المستويات هو عمر الإلكترونات عليها. أي كم من الوقت يستطيع الإلكترون الصمود في حالة معينة قبل الانتقال إلى موضع أقل وأكثر استقرارًا. من بين المستويين ، يجب أن يكون المستوى العلوي هو الأطول عمراً. ثم الضخ (غالبًا بمصباح تقليدي ، أحيانًا بمصباح الأشعة تحت الحمراء) يعطي الإلكتروناتما يكفي من الطاقة لهم ليتجمعوا عند أعلى مستوى من الطاقة ويتراكمون هناك. هذا يسمى مستوى السكان العكسي. علاوة على ذلك ، يمر إلكترون ما إلى حالة أقل وأكثر استقرارًا مع انبعاث الفوتون ، مما يؤدي إلى انهيار جميع الإلكترونات إلى أسفل. تكمن خصوصية هذه العملية في أن جميع الفوتونات الناتجة لها نفس الطول الموجي وأنها متماسكة. ومع ذلك ، فإن جسم العمل ، كقاعدة عامة ، كبير جدًا ، ويتم إنشاء تدفقات فيه ، موجهة في اتجاهات مختلفة. يتمثل دور المرآة العاكسة في تصفية تيارات الفوتونات الموجهة في اتجاه واحد فقط. نتيجة لذلك ، يكون الناتج عبارة عن حزمة ضيقة مكثفة من موجات متماسكة لها نفس الطول الموجي. في البداية ، اعتبر هذا ممكنًا فقط في حالة صلبة. كان الليزر الأول يحتوي على ياقوتة صناعية كوسيط عمل. يوجد الآن ليزر من جميع الأنواع والأنواع - على السوائل والغازات وحتى في التفاعلات الكيميائية. كما يرى القارئ ، الدور الرئيسي في هذه العملية هو امتصاص وانبعاث الضوء بواسطة الذرة. في هذه الحالة ، يكون تكميم الطاقة هو الأساس فقط لوصف النظرية.
الضوء والإلكترون
تذكر أن انتقال الإلكترون في الذرة من مدار إلى آخر يكون مصحوبًا إما بانبعاث أو امتصاص للطاقة. تظهر هذه الطاقة في شكل كمية من الضوء أو فوتون. من الناحية الرسمية ، الفوتون هو جسيم ، لكنه يختلف عن غيره من سكان العالم النانوي. ليس للفوتون كتلة ، لكن لديه زخم. تم إثبات ذلك من قبل العالم الروسي ليبيديف في عام 1899 ، مما يدل بوضوح على ضغط الضوء. الفوتون موجود فقط في الحركة وسرعتهتساوي سرعة الضوء. إنه أسرع كائن ممكن في كوننا. تبلغ سرعة الضوء (التي يُشار إليها عادةً باللاتينية الصغيرة "c") حوالي ثلاثمائة ألف كيلومتر في الثانية. على سبيل المثال ، يبلغ حجم مجرتنا (ليست الأكبر من حيث الفضاء) حوالي مائة ألف سنة ضوئية. عند الاصطدام بالمادة ، يمنحها الفوتون طاقته بالكامل ، كما لو كان يتحلل في هذه الحالة. تعتمد طاقة الفوتون الذي يتم إطلاقه أو امتصاصه عندما ينتقل إلكترون من مدار إلى آخر على المسافة بين المدارات. إذا كانت صغيرة ، فإن الأشعة تحت الحمراء ذات الطاقة المنخفضة تنبعث ، وإذا كانت كبيرة ، يتم الحصول على الأشعة فوق البنفسجية.
أشعة جاما و أشعة
يحتوي المقياس الكهرومغناطيسي بعد الأشعة فوق البنفسجية على الأشعة السينية وأشعة جاما. بشكل عام ، تتداخل في الطول الموجي والتردد والطاقة في نطاق واسع إلى حد ما. أي أن هناك فوتونًا للأشعة السينية بطول موجة 5 بيكومتر وفوتون جاما بنفس الطول الموجي. هم يختلفون فقط في طريقة استقبالهم. تحدث الأشعة السينية في وجود إلكترونات سريعة جدًا ، ولا يتم الحصول على إشعاع جاما إلا في عمليات الاضمحلال والاندماج في النوى الذرية. تنقسم الأشعة السينية إلى لينة (تُستخدم لتظهر من خلال رئتي وعظام الشخص) وقاسية (عادة ما تكون مطلوبة فقط للأغراض الصناعية أو البحثية). إذا قمت بتسريع الإلكترون بقوة كبيرة ، ثم قمت بإبطائه بشكل حاد (على سبيل المثال ، من خلال توجيهه إلى جسم صلب) ، فسوف ينبعث منه فوتونات الأشعة السينية. عندما تصطدم هذه الإلكترونات بالمادة ، تنفجر الذرات المستهدفةالإلكترونات من الأصداف السفلية. في هذه الحالة ، تحل إلكترونات الأغلفة العلوية محلها ، وتصدر أيضًا أشعة سينية أثناء الانتقال.
جاما كوانتا تحدث في حالات أخرى. نوى الذرات ، على الرغم من أنها تتكون من العديد من الجسيمات الأولية ، إلا أنها صغيرة الحجم أيضًا ، مما يعني أنها تتميز بتكميم الطاقة. إن انتقال النوى من حالة مثارة إلى حالة أقل مصحوب بدقة بانبعاث أشعة جاما. أي تفاعل من تسوس أو اندماج النوى يستمر ، بما في ذلك ظهور فوتونات جاما.
تفاعل نووي
أعلى قليلاً ذكرنا أن النوى الذرية تخضع أيضًا لقوانين عالم الكم. لكن هناك مواد في الطبيعة لها نوى كبيرة لدرجة أنها تصبح غير مستقرة. تميل إلى الانقسام إلى مكونات أصغر وأكثر استقرارًا. هذه ، كما قد يخمن القارئ بالفعل ، تشمل ، على سبيل المثال ، البلوتونيوم واليورانيوم. عندما تشكل كوكبنا من قرص كوكبي أولي ، كان يحتوي على كمية معينة من المواد المشعة فيه. بمرور الوقت ، تآكلوا ، وتحولوا إلى عناصر كيميائية أخرى. ومع ذلك ، فقد نجت كمية معينة من اليورانيوم غير المتحلل حتى يومنا هذا ، وبمقدارها يمكن للمرء أن يحكم ، على سبيل المثال ، على عمر الأرض. بالنسبة للعناصر الكيميائية التي لها نشاط إشعاعي طبيعي ، هناك خاصية مثل عمر النصف. هذه هي الفترة الزمنية التي يتم خلالها خفض عدد الذرات المتبقية من هذا النوع إلى النصف. نصف عمر البلوتونيوم ، على سبيل المثال ، يحدث في أربعة وعشرين ألف سنة. ومع ذلك ، بالإضافة إلى النشاط الإشعاعي الطبيعي ، هناك أيضًا قسري.عند قصفها بجزيئات ألفا الثقيلة أو النيوترونات الخفيفة ، تتفكك نوى الذرات. في هذه الحالة ، يتم تمييز ثلاثة أنواع من الإشعاع المؤين: جسيمات ألفا ، وجسيمات بيتا ، وأشعة جاما. يتسبب تسوس بيتا في تغيير الشحنة النووية بمقدار واحد. تأخذ جسيمات ألفا بوزيترونين من النواة. إشعاع جاما ليس له شحنة ولا ينحرف عن طريق المجال الكهرومغناطيسي ، ولكن لديه أعلى قوة اختراق. يحدث تكميم الطاقة في جميع حالات الاضمحلال النووي
الحرب والسلام
الليزر ، والأشعة السينية ، ودراسة المواد الصلبة والنجوم - كل هذه تطبيقات سلمية للمعرفة حول الكميات. ومع ذلك ، فإن عالمنا مليء بالتهديدات ، والجميع يسعى لحماية أنفسهم. العلم يخدم الأغراض العسكرية أيضًا. حتى هذه الظاهرة النظرية البحتة مثل تكميم الطاقة تم وضعها في حراسة العالم. على سبيل المثال ، شكل تعريف التكتم على أي إشعاع أساس الأسلحة النووية. بالطبع ، لا يوجد سوى عدد قليل من تطبيقاتها القتالية - ربما يتذكر القارئ هيروشيما وناغازاكي. كانت جميع الأسباب الأخرى للضغط على الزر الأحمر المرغوب فيه سلمية إلى حد ما. أيضا ، هناك دائما مسألة التلوث الإشعاعي للبيئة. على سبيل المثال ، نصف عمر البلوتونيوم ، المشار إليه أعلاه ، يجعل المشهد الذي يدخل فيه هذا العنصر غير صالح للاستخدام لفترة طويلة جدًا ، حقبة جيولوجية تقريبًا.
ماء واسلاك
دعنا نعود إلى الاستخدام السلمي للتفاعلات النووية. نحن نتحدث بالطبع عن توليد الكهرباء عن طريق الانشطار النووي. تبدو العملية كما يلي:
في الصميمفي المفاعل ، تظهر النيوترونات الحرة أولاً ، ثم تصطدم بعنصر مشع (عادة ما يكون نظير اليورانيوم) ، والذي يخضع لاضمحلال ألفا أو بيتا.
لمنع هذا التفاعل من الدخول إلى مرحلة لا يمكن السيطرة عليها ، يحتوي قلب المفاعل على ما يسمى الوسطاء. كقاعدة عامة ، هذه هي قضبان الجرافيت التي تمتص النيوترونات جيدًا. من خلال ضبط طولها ، يمكنك مراقبة معدل التفاعل.
نتيجة لذلك ، يتحول أحد العناصر إلى عنصر آخر ، ويتم إطلاق كمية لا تصدق من الطاقة. يتم امتصاص هذه الطاقة بواسطة وعاء مملوء بما يسمى بالماء الثقيل (بدلاً من الهيدروجين في جزيئات الديوتيريوم). نتيجة للتلامس مع قلب المفاعل ، فإن هذه المياه ملوثة بشدة بمنتجات الاضمحلال الإشعاعي. التخلص من هذه المياه هو أكبر مشكلة للطاقة النووية في الوقت الحالي.
يتم وضع الثانية في دائرة المياه الأولى ، والثالثة في الثانية. مياه الدائرة الثالثة صالحة للاستخدام بالفعل ، وهي التي تدير التوربين الذي يولد الكهرباء.
على الرغم من هذا العدد الكبير من الوسطاء بين النوى المولدة مباشرة والمستهلك النهائي (دعونا لا ننسى عشرات الكيلومترات من الأسلاك التي تفقد الطاقة أيضًا) ، فإن هذا التفاعل يوفر قوة لا تصدق. على سبيل المثال ، يمكن لمحطة طاقة نووية واحدة توفير الكهرباء لمنطقة بأكملها بها العديد من الصناعات.
