Cet article explique ce qu'est la quantification d'énergie et l'importance de ce phénomène pour la science moderne. L'histoire de la découverte de la discrétion de l'énergie est donnée, ainsi que les domaines d'application de la quantification des atomes.
Fin de la physique
À la fin du XIXe siècle, les scientifiques étaient confrontés à un dilemme: au niveau de développement technologique d'alors, toutes les lois possibles de la physique étaient découvertes, décrites et étudiées. Les élèves qui avaient des capacités très développées dans le domaine des sciences naturelles n'étaient pas conseillés par les enseignants de choisir la physique. Ils croyaient qu'il n'était plus possible d'y devenir célèbre, il n'y avait qu'un travail de routine pour étudier de petits détails mineurs. C'était plus adapté à une personne attentive qu'à une personne douée. Cependant, la photo, qui était plutôt une découverte divertissante, a donné matière à réflexion. Tout a commencé par de simples incohérences. Pour commencer, il s'est avéré que la lumière n'était pas entièrement continue: dans certaines conditions, la combustion de l'hydrogène laissait une série de lignes sur la plaque photographique au lieu d'une seule tache. De plus, il s'est avéré que les spectres de l'hélium avaientplus de raies que les spectres de l'hydrogène. Ensuite, il a été constaté que la traînée de certaines étoiles est différente des autres. Et la pure curiosité a obligé les chercheurs à mettre manuellement une expérience après l'autre à la recherche de réponses aux questions. Ils n'ont pas pensé à l'application commerciale de leurs découvertes.
Planck et quantique
Heureusement pour nous, cette percée en physique s'est accompagnée du développement des mathématiques. Parce que l'explication de ce qui se passait s'inscrivait dans des formules incroyablement complexes. En 1900, Max Planck, travaillant sur la théorie du rayonnement du corps noir, a découvert que l'énergie est quantifiée. Décrivez brièvement le sens de cette déclaration est assez simple. Toute particule élémentaire ne peut être que dans certains états spécifiques. Si nous donnons un modèle approximatif, le compteur de ces états peut afficher les nombres 1, 3, 8, 13, 29, 138. Et toutes les autres valeurs entre elles sont inaccessibles. Nous en dévoilerons les raisons un peu plus tard. Cependant, si vous plongez dans l'histoire de cette découverte, il convient de noter que le scientifique lui-même, jusqu'à la fin de sa vie, considérait la quantification de l'énergie comme une simple astuce mathématique, non dotée d'une signification physique sérieuse.
Onde et Masse
Le début du XXe siècle a été riche en découvertes liées au monde des particules élémentaires. Mais le grand mystère était le paradoxe suivant: dans certains cas, les particules se comportaient comme des objets avec une masse (et, par conséquent, une quantité de mouvement), et dans certains cas, comme une onde. Après un débat long et tenace, j'ai dû arriver à une conclusion incroyable: électrons, protons etles neutrons ont ces propriétés en même temps. Ce phénomène s'appelait le dualisme des ondes corpusculaires (dans le discours des scientifiques russes il y a deux cents ans, une particule s'appelait un corpuscule). Ainsi, un électron est une certaine masse, comme s'il était enduit d'une onde d'une certaine fréquence. Un électron qui tourne autour du noyau d'un atome superpose indéfiniment ses ondes les unes sur les autres. Par conséquent, ce n'est qu'à certaines distances du centre (qui dépendent de la longueur d'onde) que les ondes électroniques, en rotation, ne s'annulent pas. Cela se produit lorsque, lorsque la "tête" d'un électron d'onde se superpose à sa "queue", les maxima coïncident avec les maxima, et les minima coïncident avec les minima. Ceci explique la quantification de l'énergie d'un atome, c'est-à-dire la présence d'orbites strictement définies en son sein, sur lesquelles un électron peut exister.
Nanocheval sphérique dans le vide
Cependant, les systèmes réels sont incroyablement complexes. En obéissant à la logique décrite ci-dessus, on peut encore comprendre le système des orbites des électrons dans l'hydrogène et l'hélium. Cependant, d'autres calculs complexes sont déjà nécessaires. Pour apprendre à les comprendre, les étudiants modernes étudient la quantification de l'énergie des particules dans un puits de potentiel. Pour commencer, un puits de forme idéale et un électron modèle unique sont choisis. Pour eux, ils résolvent l'équation de Schrödinger, trouvent les niveaux d'énergie auxquels l'électron peut se trouver. Après cela, ils apprennent à rechercher des dépendances en introduisant de plus en plus de variables: la largeur et la profondeur du puits, l'énergie et la fréquence de l'électron perdent leur certitude, ajoutant de la complexité aux équations. Plus loinla forme de la fosse change (par exemple, elle devient carrée ou de profil dentelé, ses bords perdent leur symétrie), des particules élémentaires hypothétiques avec des caractéristiques spécifiées sont prises. Et ce n'est qu'alors qu'ils apprennent à résoudre des problèmes impliquant la quantification de l'énergie de rayonnement d'atomes réels et de systèmes encore plus complexes.
Momentum, moment cinétique
Cependant, le niveau d'énergie d'un électron, par exemple, est une quantité plus ou moins compréhensible. D'une manière ou d'une autre, tout le monde imagine que l'énergie plus élevée des batteries du chauffage central correspond à une température plus élevée dans l'appartement. En conséquence, la quantification de l'énergie peut encore être imaginée de manière spéculative. Il y a aussi des concepts en physique qui sont difficiles à comprendre intuitivement. Dans le macrocosme, la quantité de mouvement est le produit de la vitesse et de la masse (n'oubliez pas que la vitesse, comme la quantité de mouvement, est une quantité vectorielle, c'est-à-dire qu'elle dépend de la direction). C'est grâce à l'élan qu'il est clair qu'une pierre de taille moyenne volant lentement ne laissera une ecchymose que si elle frappe une personne, tandis qu'une petite balle tirée à grande vitesse percera le corps de part en part. Dans le microcosme, la quantité de mouvement est une quantité qui caractérise la connexion d'une particule avec l'espace environnant, ainsi que sa capacité à se déplacer et à interagir avec d'autres particules. Cette dernière dépend directement de l'énergie. Ainsi, il devient clair que la quantification de l'énergie et de la quantité de mouvement d'une particule doit être interconnectée. De plus, la constante h, qui dénote la plus petite portion possible d'un phénomène physique et montre la discrétion des quantités, est incluse dans la formule etl'énergie et la quantité de mouvement des particules dans le nanomonde. Mais il existe un concept encore plus éloigné de la conscience intuitive - le moment de l'impulsion. Il fait référence aux corps en rotation et indique quelle masse et avec quelle vitesse angulaire tourne. Rappelez-vous que la vitesse angulaire indique la quantité de rotation par unité de temps. Le moment cinétique est également capable de dire la façon dont la substance d'un corps en rotation est distribuée: des objets de même masse, mais concentrés près de l'axe de rotation ou sur la périphérie, auront un moment cinétique différent. Comme le lecteur le devine probablement déjà, dans le monde de l'atome, l'énergie du moment cinétique est quantifiée.
Quantique et laser
L'influence de la découverte de la discrétion de l'énergie et d'autres quantités est évidente. Une étude détaillée du monde n'est possible que grâce au quantique. Les méthodes modernes d'étude de la matière, l'utilisation de divers matériaux et même la science de leur création sont une continuation naturelle de la compréhension de ce qu'est la quantification de l'énergie. Le principe de fonctionnement et l'utilisation d'un laser ne fait pas exception. En général, le laser se compose de trois éléments principaux: le fluide de travail, le pompage et le miroir réfléchissant. Le fluide de travail est choisi de telle manière qu'il existe deux niveaux relativement proches pour les électrons. Le critère le plus important pour ces niveaux est la durée de vie des électrons sur eux. C'est-à-dire combien de temps un électron est capable de tenir dans un certain état avant de passer à une position plus basse et plus stable. Des deux niveaux, celui du haut devrait être celui qui a la plus longue durée de vie. Puis le pompage (souvent avec une lampe classique, parfois avec une lampe infrarouge) donne les électronssuffisamment d'énergie pour qu'ils se rassemblent tous au niveau supérieur d'énergie et s'y accumulent. C'est ce qu'on appelle la population de niveau inverse. De plus, un électron passe dans un état inférieur et plus stable avec l'émission d'un photon, ce qui provoque une panne de tous les électrons vers le bas. La particularité de ce processus est que tous les photons résultants ont la même longueur d'onde et sont cohérents. Cependant, le corps de travail, en règle générale, est assez grand et des flux y sont générés, dirigés dans différentes directions. Le rôle du miroir réfléchissant est de filtrer uniquement les flux de photons dirigés dans une direction. En conséquence, la sortie est un faisceau étroit et intense d'ondes cohérentes de la même longueur d'onde. Au début, cela n'était considéré comme possible qu'à l'état solide. Le premier laser avait un rubis artificiel comme support de travail. Il existe maintenant des lasers de toutes sortes et de tous types - sur les liquides, les gaz et même sur les réactions chimiques. Comme le lecteur le voit, le rôle principal dans ce processus est joué par l'absorption et l'émission de lumière par l'atome. Dans ce cas, la quantification de l'énergie n'est que la base pour décrire la théorie.
Lumière et électron
Rappelons que la transition d'un électron dans un atome d'une orbite à une autre s'accompagne soit d'une émission, soit d'une absorption d'énergie. Cette énergie apparaît sous la forme d'un quantum de lumière ou d'un photon. Formellement, un photon est une particule, mais il diffère des autres habitants du nanomonde. Un photon n'a pas de masse, mais il a une quantité de mouvement. Cela a été prouvé par le scientifique russe Lebedev en 1899, démontrant clairement la pression de la lumière. Un photon n'existe qu'en mouvement et sa vitesseégale à la vitesse de la lumière. C'est l'objet le plus rapide possible dans notre univers. La vitesse de la lumière (désignée par le petit "c" latin) est d'environ trois cent mille kilomètres par seconde. Par exemple, la taille de notre galaxie (pas la plus grande en termes d'espace) est d'environ cent mille années-lumière. En collision avec la matière, le photon lui donne complètement son énergie, comme s'il se dissolvait dans ce cas. L'énergie d'un photon qui est libérée ou absorbée lorsqu'un électron se déplace d'une orbite à une autre dépend de la distance entre les orbites. S'il est petit, un rayonnement infrarouge à faible énergie est émis, s'il est grand, on obtient un rayonnement ultraviolet.
Rayons X et rayonnement gamma
L'échelle électromagnétique après ultraviolet contient des rayons X et gamma. En général, ils se chevauchent en longueur d'onde, en fréquence et en énergie dans une gamme assez large. C'est-à-dire qu'il existe un photon X avec une longueur d'onde de 5 picomètres et un photon gamma avec la même longueur d'onde. Ils ne diffèrent que par la manière dont ils sont reçus. Les rayons X se produisent en présence d'électrons très rapides et le rayonnement gamma n'est obtenu que dans les processus de désintégration et de fusion des noyaux atomiques. La radiographie est divisée en douce (utilisation pour montrer à travers les poumons et les os d'une personne) et dure (généralement nécessaire uniquement à des fins industrielles ou de recherche). Si vous accélérez très fortement l'électron, puis le décélérez brusquement (par exemple, en le dirigeant vers un corps solide), il émettra alors des photons X. Lorsque de tels électrons entrent en collision avec la matière, les atomes cibles éclatentélectrons des couches inférieures. Dans ce cas, les électrons des couches supérieures prennent leur place, émettant également des rayons X lors de la transition.
Les quanta gamma se produisent dans d'autres cas. Les noyaux des atomes, bien qu'ils soient constitués de nombreuses particules élémentaires, sont également de petite taille, ce qui signifie qu'ils se caractérisent par une quantification d'énergie. Le passage des noyaux d'un état excité à un état inférieur s'accompagne précisément de l'émission de rayons gamma. Toute réaction de désintégration ou de fusion de noyaux se produit, y compris avec l'apparition de photons gamma.
Réaction nucléaire
Un peu plus haut nous mentionnions que les noyaux atomiques obéissent aussi aux lois du monde quantique. Mais il existe des substances dans la nature avec des noyaux si gros qu'ils deviennent instables. Ils ont tendance à se décomposer en composants plus petits et plus stables. Ceux-ci, comme le lecteur le devine probablement déjà, comprennent, par exemple, le plutonium et l'uranium. Lorsque notre planète s'est formée à partir d'un disque protoplanétaire, elle contenait une certaine quantité de substances radioactives. Au fil du temps, ils se sont décomposés, se transformant en d'autres éléments chimiques. Mais encore, une certaine quantité d'uranium non décomposé a survécu jusqu'à ce jour, et par sa quantité on peut juger, par exemple, de l'âge de la Terre. Pour les éléments chimiques qui ont une radioactivité naturelle, il existe une caractéristique telle que la demi-vie. C'est la période de temps pendant laquelle le nombre d'atomes restants de ce type sera divisé par deux. La demi-vie du plutonium, par exemple, se produit en vingt-quatre mille ans. Cependant, en plus de la radioactivité naturelle, il y a aussi la radioactivité forcée. Lorsqu'ils sont bombardés de particules alpha lourdes ou de neutrons légers, les noyaux des atomes se brisent. Dans ce cas, on distingue trois types de rayonnements ionisants: les particules alpha, les particules bêta, les rayons gamma. La désintégration bêta fait changer la charge nucléaire de un. Les particules alpha prennent deux positrons du noyau. Le rayonnement gamma n'a pas de charge et n'est pas dévié par un champ électromagnétique, mais il a le pouvoir de pénétration le plus élevé. La quantification de l'énergie se produit dans tous les cas de désintégration nucléaire.
Guerre et Paix
Les lasers, les rayons X, l'étude des solides et des étoiles - tout cela sont des applications pacifiques des connaissances sur les quanta. Cependant, notre monde est plein de menaces et chacun cherche à se protéger. La science sert aussi à des fins militaires. Même un phénomène aussi purement théorique que la quantification de l'énergie a été mis en garde contre le monde. La définition du caractère discret de tout rayonnement, par exemple, a constitué la base des armes nucléaires. Bien sûr, il n'y a que quelques-unes de ses applications de combat - le lecteur se souvient probablement d'Hiroshima et de Nagasaki. Toutes les autres raisons d'appuyer sur le bouton rouge tant convoité étaient plus ou moins pacifiques. De plus, il y a toujours la question de la contamination radioactive de l'environnement. Par exemple, la demi-vie du plutonium, indiquée ci-dessus, rend le paysage dans lequel cet élément pénètre inutilisable pendant très longtemps, presque une époque géologique.
Eau et fils
Revenons à l'utilisation pacifique des réactions nucléaires. Nous parlons, bien sûr, de la production d'électricité par fission nucléaire. Le processus ressemble à ceci:
Dans le noyauDans le réacteur, des neutrons libres apparaissent d'abord, puis ils frappent un élément radioactif (généralement un isotope de l'uranium), qui subit une désintégration alpha ou bêta.
Pour éviter que cette réaction n'entre dans une phase incontrôlée, le cœur du réacteur contient des modérateurs. En règle générale, ce sont des tiges de graphite, qui absorbent très bien les neutrons. En ajustant leur longueur, vous pouvez surveiller le taux de réaction.
En conséquence, un élément se transforme en un autre, et une quantité incroyable d'énergie est libérée. Cette énergie est absorbée par un récipient rempli d'eau dite lourde (au lieu de l'hydrogène dans les molécules de deutérium). Suite au contact avec le cœur du réacteur, cette eau est fortement contaminée par des produits de désintégration radioactifs. C'est l'élimination de cette eau qui est le plus gros problème de l'énergie nucléaire à l'heure actuelle.
Le second est placé dans le premier circuit d'eau, le troisième est placé dans le second. L'eau du troisième circuit est déjà utilisable en toute sécurité, et c'est elle qui fait tourner la turbine, qui génère de l'électricité.
Malgré un si grand nombre d'intermédiaires entre les cœurs directement générateurs et le consommateur final (n'oublions pas les dizaines de kilomètres de fils qui perdent également de la puissance), cette réaction fournit une puissance incroyable. Par exemple, une centrale nucléaire peut fournir de l'électricité à toute une zone comptant de nombreuses industries.
