Tento článok hovorí o tom, čo je kvantovanie energie a aký význam má tento jav pre modernú vedu. Je uvedená história objavu diskrétnosti energie, ako aj oblasti použitia kvantovania atómov.
Koniec fyziky
Koncom devätnásteho storočia stáli vedci pred dilemou: na vtedajšej úrovni technologického rozvoja boli objavené, opísané a študované všetky možné fyzikálne zákony. Žiakom, ktorí mali vysoko rozvinuté schopnosti v oblasti prírodných vied, učitelia neodporúčali, aby si vybrali fyziku. Verili, že už nie je možné sa v ňom presláviť, existuje len rutinná práca na štúdiu malých drobných detailov. Toto bolo vhodnejšie pre pozorného človeka ako pre nadaného. Fotka, ktorá bola skôr zábavným objavom, však dala dôvod na zamyslenie. Všetko to začalo jednoduchými nezrovnalosťami. Na začiatok sa ukázalo, že svetlo nebolo úplne súvislé: za určitých podmienok horiaci vodík zanechal na fotografickej platni sériu čiar namiesto jedného bodu. Ďalej sa ukázalo, že spektrá hélia maliviac čiar ako spektrá vodíka. Potom sa zistilo, že stopa niektorých hviezd sa líši od ostatných. A čistá zvedavosť prinútila výskumníkov, aby pri hľadaní odpovedí na otázky ručne ukladali jednu skúsenosť za druhou. Nemysleli na komerčné využitie svojich objavov.
Planck a kvantum
Našťastie pre nás bol tento prelom vo fyzike sprevádzaný rozvojom matematiky. Pretože vysvetlenie toho, čo sa dialo, zapadalo do neskutočne zložitých vzorcov. V roku 1900 Max Planck, pracujúci na teórii žiarenia čierneho telesa, zistil, že energia je kvantovaná. Stručne opísať význam tohto tvrdenia je celkom jednoduché. Akákoľvek elementárna častica môže byť len v určitých špecifických stavoch. Ak dáme hrubý model, potom počítadlo takýchto stavov môže ukazovať čísla 1, 3, 8, 13, 29, 138. A všetky ostatné hodnoty medzi nimi sú neprístupné. Dôvody prezradíme o niečo neskôr. Ak sa však ponoríte do histórie tohto objavu, stojí za zmienku, že samotný vedec až do konca svojho života považoval kvantovanie energie iba za pohodlný matematický trik, ktorý nemá vážny fyzikálny význam.
Vlna a hmotnosť
Začiatok dvadsiateho storočia bol plný objavov súvisiacich so svetom elementárnych častíc. Ale veľkou záhadou bol nasledujúci paradox: v niektorých prípadoch sa častice správali ako objekty s hmotnosťou (a teda hybnosťou) a v niektorých prípadoch ako vlna. Po dlhej a tvrdohlavej debate som musel dospieť k neuveriteľnému záveru: elektróny, protóny atieto vlastnosti majú súčasne neutróny. Tento jav sa nazýval dualizmus korpuskulárnych vĺn (v prejave ruských vedcov pred dvesto rokmi sa častica nazývala telieska). Elektrón je teda určitá hmotnosť, akoby rozmazaná do vlny určitej frekvencie. Elektrón, ktorý sa točí okolo jadra atómu, donekonečna prekrýva svoje vlny na seba. V dôsledku toho iba v určitých vzdialenostiach od stredu (ktoré závisia od vlnovej dĺžky) sa rotujúce elektrónové vlny navzájom nezrušia. Stáva sa to vtedy, keď je „hlava“vlnového elektrónu superponovaná na jeho „chvost“, maximá sa zhodujú s maximami a minimá sa zhodujú s minimami. To vysvetľuje kvantovanie energie atómu, teda prítomnosť presne definovaných dráh v ňom, na ktorých môže existovať elektrón.
Sférický nanokoník vo vákuu
Skutočné systémy sú však neuveriteľne zložité. Podľa vyššie opísanej logiky možno stále pochopiť systém dráh elektrónov vo vodíku a héliu. Už sú však potrebné ďalšie zložité výpočty. Aby sa naučili, ako im porozumieť, moderní študenti študujú kvantizáciu energie častíc v potenciálnej studni. Na začiatok sa vyberie ideálne tvarovaná studňa a jeden modelový elektrón. Pre nich riešia Schrödingerovu rovnicu, zisťujú energetické hladiny, na ktorých môže byť elektrón. Potom sa naučia hľadať závislosti zavádzaním ďalších a ďalších premenných: šírka a hĺbka jamky, energia a frekvencia elektrónu strácajú istotu, čím sa rovnice komplikujú. Ďalejtvar jamky sa mení (napríklad sa stáva štvorcovým alebo zúbkovaným profilom, jej okraje strácajú symetriu), berú sa hypotetické elementárne častice so špecifikovanými charakteristikami. A až potom sa naučia riešiť problémy, ktoré zahŕňajú kvantovanie energie žiarenia skutočných atómov a ešte zložitejších systémov.
Moment, uhlový moment
Avšak energetická hladina povedzme elektrónu je viac-menej pochopiteľná veličina. Tak či onak, každý si predstavuje, že vyššej energii batérií ústredného kúrenia zodpovedá vyššia teplota v byte. Kvantovanie energie si teda možno stále predstaviť špekulatívne. Vo fyzike existujú aj pojmy, ktoré je ťažké intuitívne pochopiť. V makrokozme je hybnosť súčinom rýchlosti a hmotnosti (nezabudnite, že rýchlosť, podobne ako hybnosť, je vektorová veličina, to znamená, že závisí od smeru). Práve vďaka hybnosti je jasné, že pomaly letiaci stredne veľký kameň zanechá len modrinu, ak zasiahne človeka, kým malá guľka vystrelená veľkou rýchlosťou prepichne telo skrz na skrz. V mikrokozme je hybnosť taká veličina, ktorá charakterizuje spojenie častice s okolitým priestorom, ako aj jej schopnosť pohybovať sa a interagovať s inými časticami. Ten druhý priamo závisí od energie. Je teda zrejmé, že kvantovanie energie a hybnosti častice musia byť vzájomne prepojené. Navyše konštanta h, ktorá označuje najmenšiu možnú časť fyzikálneho javu a ukazuje diskrétnosť veličín, je zahrnutá vo vzorci aenergie a hybnosti častíc v nanosvete. Existuje však koncept ešte vzdialenejší od intuitívneho uvedomenia - moment impulzu. Vzťahuje sa na rotujúce telesá a označuje, aká hmotnosť a akou uhlovou rýchlosťou sa otáča. Pripomeňme, že uhlová rýchlosť udáva množstvo rotácie za jednotku času. Moment hybnosti je tiež schopný povedať, ako je rozložená látka rotujúceho telesa: objekty s rovnakou hmotnosťou, ale sústredené v blízkosti osi rotácie alebo na periférii, budú mať odlišný moment hybnosti. Ako už čitateľ pravdepodobne tuší, vo svete atómu je energia momentu hybnosti kvantovaná.
Kvantové a laserové
Vplyv objavu diskrétnosti energie a iných veličín je zrejmý. Detailné štúdium sveta je možné len vďaka kvantu. Moderné metódy štúdia hmoty, používanie rôznych materiálov a dokonca aj veda o ich tvorbe sú prirodzeným pokračovaním chápania toho, čo je kvantovanie energie. Princíp činnosti a použitie lasera nie je výnimkou. Vo všeobecnosti sa laser skladá z troch hlavných prvkov: pracovnej tekutiny, čerpacieho a odrazového zrkadla. Pracovná tekutina je zvolená tak, že v nej existujú dve relatívne blízke úrovne pre elektróny. Najdôležitejším kritériom pre tieto úrovne je životnosť elektrónov na nich. To znamená, ako dlho je elektrón schopný vydržať v určitom stave, kým sa presunie do nižšej a stabilnejšej polohy. Z týchto dvoch úrovní by horná mala byť dlhšia. Potom čerpanie (často s konvenčnou lampou, niekedy s infračervenou lampou) dáva elektrónydostatok energie na to, aby sa všetci zhromaždili na najvyššej úrovni energie a tam sa nahromadili. Toto sa nazýva inverzná úroveň populácie. Ďalej, jeden elektrón prechádza do nižšieho a stabilnejšieho stavu s emisiou fotónu, čo spôsobí rozpad všetkých elektrónov smerom nadol. Zvláštnosťou tohto procesu je, že všetky výsledné fotóny majú rovnakú vlnovú dĺžku a sú koherentné. Pracovný orgán je však spravidla dosť veľký a vytvárajú sa v ňom toky nasmerované rôznymi smermi. Úlohou odrazového zrkadla je odfiltrovať len tie prúdy fotónov, ktoré sú nasmerované jedným smerom. Výsledkom je, že výstupom je úzky intenzívny lúč koherentných vĺn rovnakej vlnovej dĺžky. Spočiatku sa to považovalo za možné iba v pevnom stave. Prvý laser mal ako pracovné médium umelý rubín. Teraz existujú lasery všetkých druhov a typov - na kvapaliny, plyny a dokonca aj na chemické reakcie. Ako čitateľ vidí, hlavnú úlohu v tomto procese zohráva absorpcia a emisia svetla atómom. V tomto prípade je kvantovanie energie iba základom pre popis teórie.
Svetlo a elektrón
Pripomeňme, že prechod elektrónu v atóme z jednej dráhy na druhú je sprevádzaný buď emisiou alebo absorpciou energie. Táto energia sa objavuje vo forme kvanta svetla alebo fotónu. Formálne je fotón častica, ktorá sa však líši od ostatných obyvateľov nanosveta. Fotón nemá hmotnosť, ale má hybnosť. V roku 1899 to dokázal ruský vedec Lebedev, ktorý jasne demonštroval tlak svetla. Fotón existuje iba v pohybe a jeho rýchlostirovná rýchlosti svetla. Je to najrýchlejší možný objekt v našom vesmíre. Rýchlosť svetla (štandardne označovaná malým latinským „c“) je asi tristotisíc kilometrov za sekundu. Napríklad veľkosť našej galaxie (nie je najväčšia z hľadiska vesmíru) je asi stotisíc svetelných rokov. Fotón, ktorý sa zrazí s hmotou, jej úplne dodá energiu, v tomto prípade akoby sa rozpustil. Energia fotónu, ktorá sa uvoľní alebo absorbuje, keď sa elektrón pohybuje z jednej dráhy na druhú, závisí od vzdialenosti medzi dráhami. Ak je malý, vyžaruje sa infračervené žiarenie s nízkou energiou, ak je veľké, získava sa ultrafialové.
Röntgenové a gama žiarenie
Elektromagnetická stupnica po ultrafialovom žiarení obsahuje röntgenové a gama žiarenie. Vo všeobecnosti sa prekrývajú vo vlnovej dĺžke, frekvencii a energii v dosť širokom rozsahu. To znamená, že existuje röntgenový fotón s vlnovou dĺžkou 5 pikometrov a fotón gama s rovnakou vlnovou dĺžkou. Líšia sa iba spôsobom, akým sú prijímané. Röntgenové lúče sa vyskytujú v prítomnosti veľmi rýchlych elektrónov a gama žiarenie sa získava iba v procesoch rozpadu a fúzie atómových jadier. Röntgenové žiarenie je rozdelené na mäkké (používa sa na zobrazenie pľúc a kostí človeka) a tvrdé (zvyčajne potrebné iba na priemyselné alebo výskumné účely). Ak elektrón veľmi prudko zrýchlite a potom prudko spomalíte (napríklad nasmerovaním do pevného telesa), vyžaruje röntgenové fotóny. Keď sa takéto elektróny zrazia s hmotou, cieľové atómy prasknúelektróny z nižších obalov. V tomto prípade ich miesto zaujmú elektróny horných obalov, ktoré tiež počas prechodu vyžarujú röntgenové lúče.
Gamma kvantá sa vyskytujú v iných prípadoch. Jadrá atómov, hoci sa skladajú z mnohých elementárnych častíc, sú tiež malé, čo znamená, že sa vyznačujú kvantizáciou energie. Prechod jadier z excitovaného stavu do nižšieho stavu je presne sprevádzaný emisiou gama lúčov. Prebieha akákoľvek reakcia rozpadu alebo fúzie jadier, vrátane objavenia sa gama fotónov.
Jadrová reakcia
O niečo vyššie sme spomenuli, že aj atómové jadrá sa riadia zákonmi kvantového sveta. Ale v prírode existujú látky s takými veľkými jadrami, že sa stávajú nestabilnými. Majú tendenciu sa rozpadať na menšie a stabilnejšie komponenty. Medzi tie, ako už čitateľ zrejme tuší, patrí napríklad plutónium a urán. Keď naša planéta vznikla z protoplanetárneho disku, mala v sebe určité množstvo rádioaktívnych látok. Postupom času sa rozpadli a zmenili sa na iné chemické prvky. No predsa len isté množstvo nerozpadnutého uránu prežilo dodnes a podľa jeho množstva sa dá usúdiť napríklad vek Zeme. Pre chemické prvky, ktoré majú prirodzenú rádioaktivitu, existuje taká charakteristika ako polčas rozpadu. Toto je časové obdobie, počas ktorého sa počet zostávajúcich atómov tohto typu zníži na polovicu. Polčas rozpadu plutónia napríklad nastáva za dvadsaťštyritisíc rokov. Okrem prirodzenej rádioaktivity však existuje aj nútená. Pri bombardovaní ťažkými alfa časticami alebo ľahkými neutrónmi sa jadrá atómov rozpadajú. V tomto prípade sa rozlišujú tri typy ionizujúceho žiarenia: častice alfa, častice beta, gama lúče. Beta rozpad spôsobí zmenu jadrového náboja o jednu. Častice alfa odoberajú z jadra dva pozitróny. Gama žiarenie nemá náboj a nie je vychýlené elektromagnetickým poľom, ale má najvyššiu prenikavú silu. Kvantovanie energie sa vyskytuje vo všetkých prípadoch jadrového rozpadu.
Vojna a mier
Lasery, röntgenové lúče, štúdium pevných látok a hviezd – to všetko sú pokojné aplikácie poznatkov o kvantách. Náš svet je však plný hrozieb a každý sa snaží chrániť sám seba. Veda slúži aj na vojenské účely. Dokonca aj taký čisto teoretický jav, akým je kvantovanie energie, bol postavený na stráž sveta. Napríklad definícia diskrétnosti akéhokoľvek žiarenia tvorila základ jadrových zbraní. Jeho bojových aplikácií je samozrejme len zopár – čitateľ si zrejme pamätá Hirošimu a Nagasaki. Všetky ostatné dôvody na stlačenie vytúženého červeného tlačidla boli viac-menej pokojné. Tiež je tu vždy otázka rádioaktívnej kontaminácie životného prostredia. Napríklad polčas plutónia, ktorý je uvedený vyššie, robí krajinu, do ktorej tento prvok vstupuje, na veľmi dlhý čas nepoužiteľným, takmer geologickou epochou.
Voda a drôty
Vráťme sa k mierovému využitiu jadrových reakcií. Hovoríme, samozrejme, o výrobe elektriny štiepením jadra. Proces vyzerá takto:
V jadreV reaktore sa najskôr objavia voľné neutróny a potom zasiahnu rádioaktívny prvok (zvyčajne izotop uránu), ktorý podlieha alfa alebo beta rozpadu.
Aby sa zabránilo prechodu tejto reakcie do nekontrolovaného štádia, jadro reaktora obsahuje takzvané moderátory. Spravidla ide o grafitové tyčinky, ktoré veľmi dobre pohlcujú neutróny. Úpravou ich dĺžky môžete sledovať rýchlosť reakcie.
V dôsledku toho sa jeden prvok zmení na druhý a uvoľní sa neuveriteľné množstvo energie. Túto energiu absorbuje nádoba naplnená takzvanou ťažkou vodou (namiesto vodíka v molekulách deutéria). V dôsledku kontaktu s aktívnou zónou reaktora je táto voda silne kontaminovaná produktmi rádioaktívneho rozpadu. Práve likvidácia tejto vody je v súčasnosti najväčším problémom jadrovej energetiky.
Druhá je umiestnená v prvom vodnom okruhu, tretia je umiestnená v druhom. Voda z tretieho okruhu je už bezpečná na použitie a je to ona, kto roztáča turbínu, ktorá vyrába elektrinu.
Napriek takému veľkému množstvu medzičlánkov medzi priamo generujúcimi jadrami a koncovým spotrebiteľom (nezabúdajme na desiatky kilometrov drôtov, ktoré tiež strácajú energiu), táto reakcia poskytuje neskutočnú silu. Napríklad jedna jadrová elektráreň môže zásobovať elektrinou celú oblasť s mnohými priemyselnými odvetviami.
