Tento článek pojednává o tom, co je kvantování energie a jaký význam má tento jev pro moderní vědu. Je uvedena historie objevu diskrétnosti energie a také oblasti použití kvantování atomů.
Konec fyziky
Na konci devatenáctého století stáli vědci před dilematem: na tehdejší úrovni technologického vývoje byly objeveny, popsány a studovány všechny možné fyzikální zákony. Žákům, kteří měli vysoce rozvinuté schopnosti v oblasti přírodních věd, učitelé nedoporučovali volit fyziku. Věřili, že už se v ní nelze proslavit, existuje jen rutinní práce se studiem drobných drobných detailů. To bylo vhodné spíše pro pozorného člověka než pro nadaného. Fotka, která byla spíše zábavným objevem, však dala důvod k zamyšlení. Všechno to začalo jednoduchými nesrovnalostmi. Nejprve se ukázalo, že světlo nebylo zcela souvislé: za určitých podmínek hořící vodík zanechával na fotografické desce řadu čar namísto jediného bodu. Dále se ukázalo, že spektra helia mělavíce čar než spektra vodíku. Pak se zjistilo, že stopa některých hvězd je odlišná od ostatních. A čistá zvědavost přinutila výzkumníky ručně skládat jednu zkušenost za druhou při hledání odpovědí na otázky. Nepřemýšleli o komerčním využití svých objevů.
Planck a kvantum
Naštěstí pro nás byl tento průlom ve fyzice doprovázen rozvojem matematiky. Protože vysvětlení toho, co se dělo, zapadalo do neuvěřitelně složitých vzorců. V roce 1900 Max Planck, pracující na teorii záření černého tělesa, zjistil, že energie je kvantována. Stručně popsat význam tohoto tvrzení je celkem jednoduché. Jakákoli elementární částice může být pouze v některých specifických stavech. Pokud dáme hrubý model, pak počítadlo takových stavů může ukazovat čísla 1, 3, 8, 13, 29, 138. A všechny ostatní hodnoty mezi nimi jsou nepřístupné. Důvody k tomu prozradíme o něco později. Pokud se však ponoříte do historie tohoto objevu, stojí za zmínku, že sám vědec až do konce svého života považoval kvantování energie pouze za pohodlný matematický trik, který není obdařen vážným fyzikálním významem.
Vlna a hmotnost
Počátek dvacátého století byl plný objevů souvisejících se světem elementárních částic. Ale velkou záhadou byl následující paradox: v některých případech se částice chovaly jako objekty s hmotností (a tedy hybností) a v některých případech jako vlna. Po dlouhé a tvrdohlavé debatě jsem musel dospět k neuvěřitelnému závěru: elektrony, protony atyto vlastnosti mají zároveň neutrony. Tento jev se nazýval dualismus korpuskulárních vln (v řeči ruských vědců před dvěma sty lety se částice říkalo korpuskule). Elektron je tedy určitá hmota, jakoby rozmazaná do vlny o určité frekvenci. Elektron, který se točí kolem jádra atomu, nekonečně překrývá své vlny na sebe. V důsledku toho se pouze v určitých vzdálenostech od středu (které závisí na vlnové délce) rotující elektronové vlny navzájem neruší. K tomu dochází, když je „hlava“vlnového elektronu superponována na jeho „ocas“, maxima se shodují s maximy a minima se shodují s minimy. To vysvětluje kvantování energie atomu, tedy přítomnost přesně definovaných drah v něm, na kterých může existovat elektron.
Sférický nanohorse ve vakuu
Skutečné systémy jsou však neuvěřitelně složité. Podle výše popsané logiky lze stále pochopit systém drah elektronů ve vodíku a heliu. Již jsou však nutné další složité výpočty. Aby se moderní studenti naučili, jak jim porozumět, studují kvantování energie částic v potenciální jámě. Pro začátek je vybrána ideálně tvarovaná studna a jeden modelový elektron. Za ně řeší Schrödingerovu rovnici, najdou energetické hladiny, na kterých může být elektron. Poté se naučí hledat závislosti zaváděním dalších a dalších proměnných: šířka a hloubka jámy, energie a frekvence elektronu ztrácejí jistoty, což zvyšuje složitost rovnic. Dálemění se tvar jámy (např. se stává čtvercovým nebo zubatým v profilu, její okraje ztrácejí symetrii), berou se hypotetické elementární částice se specifikovanými charakteristikami. A teprve potom se naučí řešit problémy, které zahrnují kvantování energie záření skutečných atomů a ještě složitějších systémů.
Hybnost, úhlová hybnost
Nicméně energetická hladina řekněme elektronu je víceméně pochopitelná veličina. Tak či onak si každý představuje, že vyšší energii baterií ústředního topení odpovídá vyšší teplota v bytě. V souladu s tím si lze kvantování energie stále spekulativně představit. Ve fyzice jsou také pojmy, které je obtížné intuitivně pochopit. V makrokosmu je hybnost součinem rychlosti a hmotnosti (nezapomeňte, že rychlost, stejně jako hybnost, je vektorová veličina, to znamená, že závisí na směru). Právě díky hybnosti je jasné, že pomalu letící středně velký kámen zanechá pouze modřinu, pokud zasáhne člověka, zatímco malá kulka vystřelená velkou rychlostí prorazí tělo skrz na skrz. V mikrokosmu je hybnost taková veličina, která charakterizuje spojení částice s okolním prostorem a také její schopnost pohybu a interakce s jinými částicemi. To druhé přímo závisí na energii. Je tedy zřejmé, že kvantování energie a hybnosti částice musí být vzájemně propojeny. Navíc je do vzorce zahrnuta konstanta h, která označuje nejmenší možnou část fyzikálního jevu a ukazuje diskrétnost veličin.energii a hybnost částic v nanosvětě. Existuje však koncept ještě vzdálenější intuitivnímu uvědomění – okamžik impulsu. Vztahuje se k rotujícím tělesům a udává, jakou hmotu a s jakou úhlovou rychlostí rotuje. Připomeňme, že úhlová rychlost udává množství rotace za jednotku času. Moment hybnosti je také schopen říci, jakým způsobem je distribuována látka rotujícího tělesa: objekty se stejnou hmotností, ale soustředěné blízko osy rotace nebo na okraji, budou mít různý moment hybnosti. Jak již čtenář pravděpodobně tuší, ve světě atomu je energie momentu hybnosti kvantována.
Kvantové a laserové
Vliv objevu diskrétnosti energie a dalších veličin je zřejmý. Detailní studium světa je možné jen díky kvantu. Moderní metody studia hmoty, použití různých materiálů a dokonce i věda o jejich tvorbě jsou přirozeným pokračováním chápání toho, co je kvantování energie. Princip činnosti a použití laseru není výjimkou. Obecně se laser skládá ze tří hlavních prvků: pracovní tekutiny, čerpacího a odrazného zrcadla. Pracovní tekutina je zvolena tak, aby v ní existovaly dvě relativně blízké hladiny pro elektrony. Nejdůležitějším kritériem pro tyto úrovně je životnost elektronů na nich. Tedy jak dlouho je elektron schopen vydržet v určitém stavu, než se přesune do nižší a stabilnější polohy. Z těchto dvou úrovní by horní měla být delší životnost. Pak čerpání (často s konvenční lampou, někdy s infračervenou lampou) dává elektronydostatek energie, aby se všichni shromáždili na nejvyšší úrovni energie a tam se nahromadili. Tomu se říká populace inverzní úrovně. Dále, nějaký jeden elektron přejde do nižšího a stabilnějšího stavu s emisí fotonu, což způsobí rozpad všech elektronů směrem dolů. Zvláštností tohoto procesu je, že všechny výsledné fotony mají stejnou vlnovou délku a jsou koherentní. Pracovní těleso je však zpravidla poměrně velké a v něm vznikají toky, nasměrované různými směry. Úlohou odrazného zrcadla je odfiltrovat pouze ty fotonové proudy, které jsou nasměrovány jedním směrem. Výsledkem je, že výstupem je úzký intenzivní paprsek koherentních vln stejné vlnové délky. Zpočátku se to považovalo za možné pouze v pevném stavu. První laser měl jako pracovní médium umělý rubín. Nyní existují lasery všech druhů a typů - na kapaliny, plyny a dokonce i na chemické reakce. Jak čtenář vidí, hlavní roli v tomto procesu hraje absorpce a emise světla atomem. V tomto případě je kvantování energie pouze základem pro popis teorie.
Světlo a elektron
Připomeňme, že přechod elektronu v atomu z jedné dráhy na druhou je doprovázen buď emisí, nebo absorpcí energie. Tato energie se objevuje ve formě kvanta světla nebo fotonu. Formálně je foton částice, ale liší se od ostatních obyvatel nanosvěta. Foton nemá žádnou hmotnost, ale má hybnost. To dokázal ruský vědec Lebeděv v roce 1899, jasně demonstroval tlak světla. Foton existuje pouze v pohybu a jeho rychlostirovná rychlosti světla. Je to nejrychlejší možný objekt v našem vesmíru. Rychlost světla (standardně označovaná malým latinským „c“) je asi tři sta tisíc kilometrů za sekundu. Například velikost naší galaxie (není největší z hlediska vesmíru) je asi sto tisíc světelných let. Foton, který se srazí s hmotou, jí dá svou energii úplně, jako by se v tomto případě rozpouštěl. Energie fotonu, která se uvolní nebo pohltí, když se elektron pohybuje z jedné dráhy na druhou, závisí na vzdálenosti mezi dráhami. Pokud je malé, vyzařuje se infračervené záření s nízkou energií, pokud je velké, získává se ultrafialové.
Rentgenové a gama záření
Elektromagnetická stupnice po ultrafialovém záření obsahuje rentgenové a gama záření. Obecně se překrývají ve vlnové délce, frekvenci a energii v poměrně širokém rozsahu. To znamená, že existuje rentgenový foton s vlnovou délkou 5 pikometrů a foton gama se stejnou vlnovou délkou. Liší se pouze způsobem, jakým jsou přijímány. Rentgenové záření se vyskytuje v přítomnosti velmi rychlých elektronů a záření gama se získává pouze při procesech rozpadu a fúze atomových jader. Rentgenové záření se dělí na měkké (používá se k zobrazení plic a kostí člověka) a tvrdé (obvykle potřebné pouze pro průmyslové nebo výzkumné účely). Pokud elektron velmi silně urychlíte a poté prudce zpomalíte (například nasměrováním do pevného tělesa), bude emitovat rentgenové fotony. Když se takové elektrony srazí s hmotou, cílové atomy se rozbijíelektrony ze spodních obalů. V tomto případě zaujmou své místo elektrony horních obalů, které také vyzařují rentgenové záření během přechodu.
Gamma kvanta se vyskytují v jiných případech. Jádra atomů, přestože se skládají z mnoha elementárních částic, jsou také malé velikosti, což znamená, že se vyznačují kvantizací energie. Přechod jader z excitovaného stavu do nižšího je přesně doprovázen emisí gama záření. Probíhá jakákoli reakce rozpadu nebo fúze jader, včetně objevení se gama fotonů.
Jaderná reakce
O něco výše jsme zmínili, že atomová jádra se také řídí zákony kvantového světa. V přírodě jsou ale látky s tak velkými jádry, že se stávají nestabilními. Mají tendenci se rozpadat na menší a stabilnější součásti. Mezi ty, jak už čtenář pravděpodobně tuší, patří například plutonium a uran. Když se naše planeta zformovala z protoplanetárního disku, měla v sobě určité množství radioaktivních látek. Postupem času se rozpadly a změnily se na jiné chemické prvky. Ale přesto se určité množství nerozpadlého uranu dochovalo dodnes a z jeho množství lze soudit například stáří Země. Pro chemické prvky, které mají přirozenou radioaktivitu, existuje taková charakteristika jako poločas rozpadu. Toto je časové období, během kterého se počet zbývajících atomů tohoto typu sníží na polovinu. Poločas rozpadu plutonia například nastává za dvacet čtyři tisíc let. Kromě přirozené radioaktivity však existuje i nucená. Při bombardování těžkými částicemi alfa nebo lehkými neutrony se jádra atomů rozpadnou. V tomto případě se rozlišují tři typy ionizujícího záření: částice alfa, částice beta, záření gama. Beta rozpad způsobí, že se jaderný náboj změní o jednu. Částice alfa berou z jádra dva pozitrony. Gama záření nemá náboj a není vychylováno elektromagnetickým polem, ale má nejvyšší pronikavou sílu. Ke kvantování energie dochází ve všech případech jaderného rozpadu.
Válka a mír
Lasery, rentgenové záření, studium pevných látek a hvězd – to vše jsou mírové aplikace znalostí o kvantech. Náš svět je však plný hrozeb a každý se snaží chránit sám sebe. Věda slouží i vojenským účelům. I tak čistě teoretický jev, jako je kvantování energie, byl postaven na stráž před světem. Například definice diskrétnosti jakéhokoli záření tvořila základ jaderných zbraní. Jeho bojových aplikací je samozřejmě jen pár – čtenář si nejspíš pamatuje Hirošimu a Nagasaki. Všechny ostatní důvody ke stisknutí kýženého červeného tlačítka byly víceméně poklidné. Také je zde vždy otázka radioaktivní kontaminace životního prostředí. Například výše naznačený poločas rozpadu plutonia činí krajinu, do níž tento prvek vstupuje, nepoužitelnou po velmi dlouhou dobu, téměř geologickou epochu.
Voda a dráty
Vraťme se k mírovému využití jaderných reakcí. Mluvíme samozřejmě o výrobě elektřiny jaderným štěpením. Proces vypadá takto:
V jádruV reaktoru se nejprve objeví volné neutrony a poté narazí na radioaktivní prvek (obvykle izotop uranu), který podléhá rozpadu alfa nebo beta.
Aby se zabránilo přechodu této reakce do neřízené fáze, obsahuje aktivní zóna reaktoru takzvané moderátory. Zpravidla se jedná o grafitové tyčinky, které velmi dobře pohlcují neutrony. Úpravou jejich délky můžete sledovat reakční rychlost.
V důsledku toho se jeden prvek promění v jiný a uvolní se neuvěřitelné množství energie. Tuto energii pohltí nádoba naplněná tzv. těžkou vodou (místo vodíku v molekulách deuteria). V důsledku kontaktu s aktivní zónou reaktoru je tato voda silně kontaminována produkty radioaktivního rozpadu. Právě likvidace této vody je v současnosti největším problémem jaderné energetiky.
Druhý je umístěn v prvním vodním okruhu, třetí je umístěn ve druhém. Voda ze třetího okruhu je již bezpečná a je to ona, kdo roztáčí turbínu, která vyrábí elektřinu.
Navzdory tak velkému počtu prostředníků mezi přímo generujícími jádry a koncovým spotřebitelem (nezapomínejme na desítky kilometrů drátů, které také ztrácejí energii), poskytuje tato reakce neuvěřitelnou sílu. Například jedna jaderná elektrárna může zásobovat elektřinou celou oblast s mnoha průmyslovými odvětvími.
