Makala haya yanazungumzia ujanibishaji wa nishati ni nini na umuhimu huu kwa sayansi ya kisasa. Historia ya ugunduzi wa utofauti wa nishati imetolewa, pamoja na maeneo ya matumizi ya ujanibishaji wa atomi.
Mwisho wa Fizikia
Mwishoni mwa karne ya kumi na tisa, wanasayansi walikabili tatizo: katika kiwango cha wakati huo cha maendeleo ya teknolojia, sheria zote zinazowezekana za fizikia ziligunduliwa, kuelezwa na kusomwa. Wanafunzi ambao walikuwa na uwezo mkubwa katika fani ya sayansi asilia hawakushauriwa na walimu kuchagua fizikia. Waliamini kuwa haiwezekani tena kuwa maarufu ndani yake, kulikuwa na kazi ya kawaida tu ya kusoma maelezo madogo madogo. Hii ilifaa zaidi kwa mtu makini, badala ya mwenye vipawa. Walakini, picha hiyo, ambayo ilikuwa zaidi ya uvumbuzi wa kufurahisha, ilitoa sababu ya kufikiria. Yote ilianza na kutofautiana rahisi. Kuanza, ikawa kwamba mwanga haukuendelea kabisa: chini ya hali fulani, hidrojeni inayowaka iliacha mfululizo wa mistari kwenye sahani ya picha badala ya doa moja. Zaidi ya hayo ikawa kwamba spectra ya heliamu ilikuwa nayomistari zaidi kuliko spectra ya hidrojeni. Kisha ikagundulika kuwa njia ya nyota zingine ni tofauti na zingine. Na udadisi safi uliwalazimisha watafiti kuweka uzoefu mmoja baada ya mwingine kutafuta majibu ya maswali. Hawakufikiria matumizi ya kibiashara ya uvumbuzi wao.
Panga na quantum
Kwa bahati nzuri kwetu, mafanikio haya katika fizikia yaliambatana na ukuzaji wa hisabati. Kwa sababu maelezo ya kile kilichokuwa kikifanyika yanafaa katika fomula ngumu sana. Mnamo 1900, Max Planck, akifanya kazi kwenye nadharia ya mionzi ya mwili mweusi, aligundua kuwa nishati imehesabiwa. Eleza kwa ufupi maana ya kauli hii ni rahisi sana. Chembe yoyote ya msingi inaweza tu kuwa katika hali fulani maalum. Ikiwa tunatoa mfano mbaya, basi counter ya majimbo kama haya inaweza kuonyesha nambari 1, 3, 8, 13, 29, 138. Na maadili mengine yote kati yao hayapatikani. Tutafunua sababu za hii baadaye kidogo. Walakini, ikiwa utaingia kwenye historia ya ugunduzi huu, inafaa kuzingatia kwamba mwanasayansi mwenyewe, hadi mwisho wa maisha yake, alizingatia ujanibishaji wa nishati kuwa hila rahisi ya kihesabu, isiyo na maana kubwa ya mwili.
Tikisa na Misa
Mwanzo wa karne ya ishirini ilikuwa imejaa uvumbuzi kuhusiana na ulimwengu wa chembe za msingi. Lakini siri kubwa ilikuwa kitendawili kifuatacho: katika hali zingine, chembe ziliishi kama vitu vilivyo na misa (na, ipasavyo, kasi), na katika hali zingine, kama wimbi. Baada ya mjadala mrefu na mkaidi, ilibidi nifikie hitimisho la kushangaza: elektroni, protoni naneutroni zina sifa hizi kwa wakati mmoja. Jambo hili liliitwa corpuscular-wave dualism (katika hotuba ya wanasayansi wa Kirusi miaka mia mbili iliyopita, chembe iliitwa corpuscle). Kwa hivyo, elektroni ni misa fulani, kana kwamba imepakwa kwenye wimbi la masafa fulani. Elektroni inayozunguka kiini cha atomi bila mwisho huweka mawimbi yake juu ya kila mmoja. Kwa hivyo, tu kwa umbali fulani kutoka katikati (ambayo inategemea urefu wa wimbi) mawimbi ya elektroni, yanayozunguka, hayafuta kila mmoja. Hii hutokea wakati, wakati "kichwa" cha elektroni ya wimbi kinawekwa juu ya "mkia" wake, maxima inafanana na maxima, na minima inafanana na minima. Hii inaelezea ujanibishaji wa nishati ya atomi, yaani, kuwepo kwa mizunguko iliyobainishwa kabisa ndani yake, ambayo elektroni inaweza kuwepo.
Spherical nanohorse katika utupu
Hata hivyo, mifumo halisi ni tata sana. Kuzingatia mantiki iliyoelezwa hapo juu, mtu bado anaweza kuelewa mfumo wa obiti za elektroni katika hidrojeni na heliamu. Walakini, mahesabu magumu zaidi tayari yanahitajika. Ili kujifunza jinsi ya kuzielewa, wanafunzi wa kisasa husoma ujazo wa nishati ya chembe kwenye kisima kinachowezekana. Kuanza, kisima chenye umbo linalofaa na elektroni ya mfano mmoja huchaguliwa. Kwao, wao hutatua equation ya Schrödinger, kupata viwango vya nishati ambayo elektroni inaweza kuwa. Baada ya hayo, wanajifunza kutafuta utegemezi kwa kuanzisha vigezo zaidi na zaidi: upana na kina cha kisima, nishati na mzunguko wa elektroni hupoteza uhakika wao, na kuongeza utata kwa equations. Zaidisura ya shimo hubadilika (kwa mfano, inakuwa mraba au iliyopigwa kwa wasifu, kingo zake hupoteza ulinganifu), chembe za msingi za nadharia zilizo na sifa maalum huchukuliwa. Na hapo ndipo hujifunza kutatua matatizo ambayo yanahusisha ujanibishaji wa nishati ya mionzi ya atomi halisi na mifumo ngumu zaidi.
Mosi, kasi ya angular
Hata hivyo, kiwango cha nishati cha, tuseme, elektroni ni kiasi kinachoeleweka zaidi au kidogo. Njia moja au nyingine, kila mtu anafikiri kwamba nishati ya juu ya betri inapokanzwa kati inafanana na joto la juu katika ghorofa. Ipasavyo, quantization ya nishati bado inaweza kufikiria kubahatisha. Pia kuna dhana katika fizikia ambayo ni vigumu kuelewa intuitively. Katika macrocosm, kasi ni bidhaa ya kasi na wingi (usisahau kwamba kasi, kama kasi, ni wingi wa vector, yaani, inategemea mwelekeo). Ni kutokana na kasi hiyo ambayo ni wazi kuwa jiwe la ukubwa wa wastani likiruka polepole litaacha tu mchubuko likimpata mtu, huku risasi ndogo ikifyatuliwa kwa kasi kubwa itapenya mwili mzima. Katika microcosm, kasi ni kiasi ambacho kina sifa ya uunganisho wa chembe na nafasi inayozunguka, pamoja na uwezo wake wa kusonga na kuingiliana na chembe nyingine. Mwisho moja kwa moja inategemea nishati. Kwa hivyo, inakuwa wazi kwamba quantization ya nishati na kasi ya chembe lazima iunganishwe. Kwa kuongezea, h ya mara kwa mara, ambayo inaashiria sehemu ndogo kabisa ya jambo la kimwili na inaonyesha uwazi wa kiasi, imejumuishwa katika fomula na.nishati na kasi ya chembe katika ulimwengu wa nano. Lakini kuna dhana iliyo mbali zaidi na ufahamu wa angavu - wakati wa msukumo. Inahusu miili inayozunguka na inaonyesha ni wingi gani na kwa kasi gani ya angular inazunguka. Kumbuka kwamba kasi ya angular inaonyesha kiasi cha mzunguko kwa wakati wa kitengo. Kasi ya angular pia ina uwezo wa kusema jinsi dutu ya mwili unaozunguka inasambazwa: vitu vilivyo na misa sawa, lakini vimejilimbikizia karibu na mhimili wa mzunguko au kwenye pembeni, vitakuwa na kasi tofauti ya angular. Kama vile msomaji pengine tayari anavyokisia, katika ulimwengu wa atomi, nishati ya kasi ya angular imepunguzwa.
Quantum na leza
Ushawishi wa ugunduzi wa utofauti wa nishati na kiasi kingine ni dhahiri. Utafiti wa kina wa ulimwengu unawezekana tu shukrani kwa quantum. Njia za kisasa za kusoma vitu, utumiaji wa vifaa anuwai, na hata sayansi ya uumbaji wao ni mwendelezo wa asili wa kuelewa ni nini quantization ya nishati. Kanuni ya operesheni na matumizi ya laser sio ubaguzi. Kwa ujumla, laser ina vipengele vitatu kuu: maji ya kazi, kusukuma na kutafakari kioo. Maji ya kufanya kazi huchaguliwa kwa njia ambayo viwango viwili vya karibu vya elektroni vipo ndani yake. Kigezo muhimu zaidi cha viwango hivi ni maisha ya elektroni juu yao. Hiyo ni, muda gani elektroni inaweza kushikilia katika hali fulani kabla ya kuhamia nafasi ya chini na imara zaidi. Kati ya viwango viwili, ya juu inapaswa kuwa ya muda mrefu zaidi. Kisha kusukuma (mara nyingi kwa taa ya kawaida, wakati mwingine na taa ya infrared) hutoa elektroninishati ya kutosha kwa wote kukusanyika katika kiwango cha juu cha nishati na kujilimbikiza huko. Hii inaitwa inverse level population. Zaidi ya hayo, elektroni moja hupita katika hali ya chini na thabiti zaidi kwa utoaji wa fotoni, ambayo husababisha kuvunjika kwa elektroni zote kwenda chini. Upekee wa mchakato huu ni kwamba fotoni zote zinazotokana zina urefu sawa wa wimbi na zinashikamana. Walakini, mwili unaofanya kazi, kama sheria, ni kubwa kabisa, na mtiririko hutolewa ndani yake, ukielekezwa kwa mwelekeo tofauti. Jukumu la kioo cha kuakisi ni kuchuja tu mitiririko hiyo ya fotoni ambayo imeelekezwa katika mwelekeo mmoja. Matokeo yake, pato ni boriti nyembamba yenye nguvu ya mawimbi madhubuti ya urefu sawa wa wavelength. Mara ya kwanza, hii ilionekana kuwa inawezekana tu katika hali imara. Laser ya kwanza ilikuwa na ruby ya bandia kama njia ya kufanya kazi. Sasa kuna lasers za kila aina na aina - kwenye vinywaji, gesi, na hata kwenye athari za kemikali. Kama msomaji anavyoona, jukumu kuu katika mchakato huu linachezwa na unyonyaji na utoaji wa mwanga na atomi. Katika kesi hii, ujazo wa nishati ndio msingi wa kuelezea nadharia.
Nuru na elektroni
Kumbuka kwamba mpito wa elektroni katika atomi kutoka obiti moja hadi nyingine huambatana na utoaji au ufyonzwaji wa nishati. Nishati hii inaonekana kwa namna ya quantum ya mwanga au photon. Hapo awali, photon ni chembe, lakini inatofautiana na wakazi wengine wa nanoworld. Photon haina misa, lakini ina kasi. Hii ilithibitishwa na mwanasayansi wa Kirusi Lebedev mwaka wa 1899, akionyesha wazi shinikizo la mwanga. Photon ipo tu katika mwendo na kasi yakesawa na kasi ya mwanga. Ni kitu cha haraka sana kinachowezekana katika ulimwengu wetu. Kasi ya mwanga (kawaida inaonyeshwa na Kilatini "c") ni kama kilomita laki tatu kwa sekunde. Kwa mfano, saizi ya galaksi yetu (sio kubwa zaidi katika hali ya anga) ni karibu miaka laki moja ya mwanga. Kugongana na jambo, fotoni huipa nishati yake kabisa, kana kwamba inayeyuka katika kesi hii. Nishati ya fotoni ambayo hutolewa au kufyonzwa wakati elektroni inakwenda kutoka obiti moja hadi nyingine inategemea umbali kati ya obiti. Ikiwa ni ndogo, mionzi ya infrared yenye nishati ya chini hutolewa, ikiwa ni kubwa, ultraviolet hupatikana.
Mionzi ya X-ray na gamma
Kipimo cha sumakuumeme baada ya mionzi ya jua ina mionzi ya X-ray na gamma. Kwa ujumla, zinaingiliana katika urefu wa wimbi, mzunguko na nishati katika anuwai pana. Hiyo ni, kuna picha ya X-ray yenye urefu wa picometers 5 na picha ya gamma yenye urefu sawa wa wimbi. Wanatofautiana tu kwa namna wanavyopokelewa. X-rays hutokea mbele ya elektroni za haraka sana, na mionzi ya gamma inapatikana tu katika taratibu za kuoza na kuunganishwa kwa nuclei ya atomiki. X-ray imegawanywa katika laini (kuitumia kuonyesha kupitia mapafu na mifupa ya mtu) na ngumu (kawaida inahitajika tu kwa madhumuni ya viwanda au utafiti). Ikiwa unaharakisha elektroni kwa nguvu sana, na kisha uipunguze kwa kasi (kwa mfano, kwa kuiongoza kwenye mwili imara), basi itatoa picha za X-ray. Elektroni kama hizo zinapogongana na maada, atomi zinazolengwa hutokezaelektroni kutoka kwa ganda la chini. Katika hali hii, elektroni za shells za juu huchukua nafasi yao, pia hutoa X-rays wakati wa mpito.
Gamma quanta hutokea katika hali nyingine. Nuclei za atomi, ingawa zinajumuisha chembe nyingi za msingi, pia ni ndogo kwa ukubwa, ambayo ina maana kwamba zinajulikana na quantization ya nishati. Mpito wa viini kutoka kwa hali ya msisimko hadi hali ya chini hufuatana kwa usahihi na utoaji wa mionzi ya gamma. Mwitikio wowote wa kuoza au muunganisho wa viini huendelea, ikijumuisha kuonekana kwa fotoni za gamma.
Mitikio ya nyuklia
Juu kidogo tulitaja kwamba viini vya atomiki pia vinatii sheria za ulimwengu wa quantum. Lakini kuna vitu asilia vilivyo na viini vikubwa hivi kwamba vinakuwa na msimamo. Wao huwa na kuvunja ndani ya vipengele vidogo na vyema zaidi. Hizi, kama msomaji labda anavyokisia, ni pamoja na, kwa mfano, plutonium na urani. Wakati sayari yetu ilipoundwa kutoka kwa diski ya protoplanetary, ilikuwa na kiasi fulani cha vitu vyenye mionzi ndani yake. Baada ya muda, wao huharibika, na kugeuka kuwa vipengele vingine vya kemikali. Lakini bado, kiasi fulani cha uranium isiyoharibika imesalia hadi leo, na kwa kiasi chake mtu anaweza kuhukumu, kwa mfano, umri wa Dunia. Kwa vipengele vya kemikali ambavyo vina mionzi ya asili, kuna tabia kama nusu ya maisha. Hiki ni kipindi cha muda ambacho idadi ya atomi iliyobaki ya aina hii itapunguzwa kwa nusu. Nusu ya maisha ya plutonium, kwa mfano, hutokea katika miaka ishirini na nne elfu. Hata hivyo, pamoja na radioactivity ya asili, pia kuna kulazimishwa. Inapopigwa na chembe nzito za alpha au neutroni nyepesi, viini vya atomi hutengana. Katika kesi hii, aina tatu za mionzi ya ionizing zinajulikana: chembe za alpha, chembe za beta, mionzi ya gamma. Uozo wa Beta husababisha malipo ya nyuklia kubadilika kwa moja. Chembe za alfa huchukua positroni mbili kutoka kwa kiini. Mionzi ya Gamma haina malipo na haipotoshwi na uwanja wa sumakuumeme, lakini ina nguvu ya juu zaidi ya kupenya. Ukadiriaji wa nishati hutokea katika visa vyote vya kuoza kwa nyuklia.
Vita na Amani
Lasers, eksirei, uchunguzi wa yabisi na nyota - yote haya ni matumizi ya amani ya maarifa kuhusu quanta. Walakini, ulimwengu wetu umejaa vitisho, na kila mtu anatafuta kujilinda. Sayansi hutumikia madhumuni ya kijeshi pia. Hata jambo la kinadharia kama vile ujanibishaji wa nishati limewekwa kwenye ulinzi wa ulimwengu. Ufafanuzi wa uwazi wa mionzi yoyote, kwa mfano, iliunda msingi wa silaha za nyuklia. Kwa kweli, kuna maombi machache tu ya mapigano - msomaji labda anakumbuka Hiroshima na Nagasaki. Sababu nyingine zote za kubofya kitufe chekundu unachotamani zilikuwa za amani zaidi au kidogo. Pia, daima kuna swali la uchafuzi wa mionzi ya mazingira. Kwa mfano, nusu ya maisha ya plutonium, iliyoonyeshwa hapo juu, hufanya mandhari ambayo kipengele hiki huingia kutotumika kwa muda mrefu sana, karibu enzi ya kijiolojia.
Maji na nyaya
Hebu turudi kwenye matumizi ya amani ya athari za nyuklia. Tunazungumza, bila shaka, juu ya uzalishaji wa umeme kwa fission ya nyuklia. Mchakato unaonekana kama hii:
Katika msingiKatika kiasa, nyutroni zisizolipishwa huonekana kwanza, kisha hugonga kipengele cha mionzi (kwa kawaida isotopu ya uranium), ambayo huharibika kwa alpha au beta.
Ili kuzuia mwitikio huu usiende katika hatua isiyodhibitiwa, kiini cha kinu kinajumuisha wanaoitwa wasimamizi. Kama sheria, hizi ni vijiti vya grafiti, ambavyo huchukua neutroni vizuri sana. Kwa kurekebisha urefu wao, unaweza kufuatilia kasi ya majibu.
Kwa sababu hiyo, kipengele kimoja hubadilika na kuwa kingine, na kiasi cha ajabu cha nishati hutolewa. Nishati hii inafyonzwa na chombo kilichojazwa na kinachojulikana kama maji mazito (badala ya hidrojeni katika molekuli za deuterium). Kama matokeo ya kugusa msingi wa reactor, maji haya yamechafuliwa sana na bidhaa za kuoza kwa mionzi. Ni utupaji wa maji haya ndilo tatizo kubwa la nishati ya nyuklia kwa sasa.
Ya pili imewekwa katika mzunguko wa kwanza wa maji, wa tatu huwekwa katika pili. Maji ya saketi ya tatu tayari ni salama kutumia, na ndiye anayegeuza turbine, ambayo hutoa umeme.
Licha ya idadi kubwa kama hii ya vipatanishi kati ya core zinazozalisha moja kwa moja na mtumiaji wa mwisho (tusisahau makumi ya kilomita za waya ambazo pia hupoteza nishati), majibu haya hutoa nguvu ya ajabu. Kwa mfano, kituo kimoja cha nishati ya nyuklia kinaweza kusambaza umeme katika eneo lote lenye viwanda vingi.
