Este artículo habla sobre qué es la cuantización de la energía y qué importancia tiene este fenómeno para la ciencia moderna. Se da la historia del descubrimiento de la discreción de la energía, así como las áreas de aplicación de la cuantización de los átomos.
Fin de la Física
A fines del siglo XIX, los científicos se enfrentaron a un dilema: en el nivel de desarrollo tecnológico de entonces, se descubrieron, describieron y estudiaron todas las leyes posibles de la física. Los profesores no aconsejaron a los alumnos que tenían habilidades muy desarrolladas en el campo de las ciencias naturales que eligieran la física. Creían que ya no era posible hacerse famoso en él, solo había trabajo rutinario para estudiar pequeños detalles menores. Esto era más adecuado para una persona atenta que para una dotada. Sin embargo, la foto, que fue más un descubrimiento entretenido, dio motivos para pensar. Todo comenzó con simples inconsistencias. Para empezar, resultó que la luz no era del todo continua: bajo ciertas condiciones, el hidrógeno quemado dejaba una serie de líneas en la placa fotográfica en lugar de un solo punto. Además, resultó que los espectros de helio habíanmás líneas que los espectros del hidrógeno. Luego se encontró que el rastro de algunas estrellas es diferente al de otras. Y la pura curiosidad obligó a los investigadores a poner manualmente una experiencia tras otra en busca de respuestas a las preguntas. No pensaron en la aplicación comercial de sus descubrimientos.
Planck y cuántica
Afortunadamente para nosotros, este avance en la física fue acompañado por el desarrollo de las matemáticas. Porque la explicación de lo que estaba pasando encajaba en fórmulas increíblemente complejas. En 1900, Max Planck, trabajando en la teoría de la radiación del cuerpo negro, descubrió que la energía está cuantizada. Describir brevemente el significado de esta afirmación es bastante simple. Cualquier partícula elemental solo puede estar en algunos estados específicos. Si damos un modelo aproximado, el contador de dichos estados puede mostrar los números 1, 3, 8, 13, 29, 138. Y todos los demás valores entre ellos son inaccesibles. Revelaremos las razones de esto un poco más adelante. Sin embargo, si profundiza en la historia de este descubrimiento, vale la pena señalar que el propio científico, hasta el final de su vida, consideró que la cuantización de la energía era solo un truco matemático conveniente, sin un significado físico serio.
Ola y masa
El comienzo del siglo XX estuvo lleno de descubrimientos relacionados con el mundo de las partículas elementales. Pero el gran misterio era la siguiente paradoja: en algunos casos, las partículas se comportaban como objetos con masa (y, en consecuencia, momento), y en otros, como una onda. Después de un largo y obstinado debate, tuve que llegar a una conclusión increíble: electrones, protones ylos neutrones tienen estas propiedades al mismo tiempo. Este fenómeno se denominó dualismo de ondas corpusculares (en el discurso de los científicos rusos hace doscientos años, una partícula se llamaba corpúsculo). Por lo tanto, un electrón es una cierta masa, como si estuviera untado en una onda de cierta frecuencia. Un electrón que gira alrededor del núcleo de un átomo superpone interminablemente sus ondas una encima de la otra. En consecuencia, sólo a ciertas distancias del centro (que dependen de la longitud de onda) las ondas electrónicas, al girar, no se anulan entre sí. Esto sucede cuando, cuando la "cabeza" de un electrón de onda se superpone a su "cola", los máximos coinciden con los máximos y los mínimos coinciden con los mínimos. Esto explica la cuantización de la energía de un átomo, es decir, la presencia en él de órbitas estrictamente definidas, en las que puede existir un electrón.
Nanocaballo esférico en el vacío
Sin embargo, los sistemas reales son increíblemente complejos. Obedeciendo a la lógica descrita anteriormente, todavía se puede entender el sistema de órbitas de los electrones en el hidrógeno y el helio. Sin embargo, ya se requieren cálculos más complejos. Para aprender a entenderlos, los estudiantes modernos estudian la cuantización de la energía de las partículas en un pozo de potencial. Para empezar, se eligen un pozo de forma ideal y un único modelo de electrón. Para ellos resuelven la ecuación de Schrödinger, encuentran los niveles de energía en los que puede estar el electrón. Después de eso, aprenden a buscar dependencias introduciendo más y más variables: el ancho y la profundidad del pozo, la energía y la frecuencia del electrón pierden su certeza, agregando complejidad a las ecuaciones. Más lejosla forma del pozo cambia (por ejemplo, se vuelve cuadrado o de perfil irregular, sus bordes pierden su simetría), se toman partículas elementales hipotéticas con características específicas. Y solo entonces aprenden a resolver problemas que involucran la cuantificación de la energía de radiación de átomos reales e incluso sistemas más complejos.
Momento, momento angular
Sin embargo, el nivel de energía de, digamos, un electrón es una cantidad más o menos comprensible. De una forma u otra, todos imaginan que la mayor energía de las baterías de calefacción central corresponde a una temperatura más alta en el apartamento. En consecuencia, la cuantización de la energía todavía se puede imaginar especulativamente. También hay conceptos en física que son difíciles de comprender intuitivamente. En el macrocosmos, el momento es el producto de la velocidad y la masa (no olvides que la velocidad, como el momento, es una cantidad vectorial, es decir, depende de la dirección). Es gracias al impulso que está claro que una piedra de tamaño mediano que vuela lentamente solo dejará un hematoma si golpea a una persona, mientras que una pequeña bala disparada a gran velocidad perforará el cuerpo de principio a fin. En el microcosmos, el impulso es una cantidad que caracteriza la conexión de una partícula con el espacio circundante, así como su capacidad para moverse e interactuar con otras partículas. Este último depende directamente de la energía. Por lo tanto, queda claro que la cuantización de la energía y el momento de una partícula deben estar interconectados. Además, la constante h, que denota la porción más pequeña posible de un fenómeno físico y muestra la discreción de las cantidades, está incluida en la fórmula yenergía y momento de las partículas en el nanomundo. Pero hay un concepto aún más distante de la conciencia intuitiva: el momento del impulso. Se refiere a cuerpos giratorios e indica qué masa y con qué velocidad angular gira. Recuerda que la velocidad angular indica la cantidad de rotación por unidad de tiempo. El momento angular también puede indicar la forma en que se distribuye la sustancia de un cuerpo en rotación: los objetos con la misma masa, pero concentrados cerca del eje de rotación o en la periferia, tendrán un momento angular diferente. Como el lector probablemente ya adivine, en el mundo del átomo, la energía del momento angular está cuantizada.
Cuántica y láser
La influencia del descubrimiento de la discreción de la energía y otras cantidades es obvia. Un estudio detallado del mundo solo es posible gracias a la cuántica. Los métodos modernos de estudio de la materia, el uso de diversos materiales e incluso la ciencia de su creación son una continuación natural de la comprensión de lo que es la cuantización de la energía. El principio de funcionamiento y el uso de un láser no es una excepción. En general, el láser consta de tres elementos principales: el fluido de trabajo, el bombeo y el espejo reflectante. El fluido de trabajo se elige de tal manera que existan en él dos niveles relativamente cercanos de electrones. El criterio más importante para estos niveles es la vida útil de los electrones en ellos. Es decir, cuánto tiempo puede resistir un electrón en un determinado estado antes de moverse a una posición más baja y más estable. De los dos niveles, el superior debería ser el de mayor duración. Luego, bombeando (a menudo con una lámpara convencional, a veces con una lámpara infrarroja) se obtienen los electrones.suficiente energía para que todos se reúnan en el nivel superior de energía y se acumulen allí. Esto se llama población de nivel inverso. Además, algún electrón pasa a un estado inferior y más estable con la emisión de un fotón, lo que provoca una ruptura de todos los electrones hacia abajo. La peculiaridad de este proceso es que todos los fotones resultantes tienen la misma longitud de onda y son coherentes. Sin embargo, el cuerpo de trabajo, por regla general, es bastante grande y en él se generan flujos, dirigidos en diferentes direcciones. El papel del espejo reflectante es filtrar solo aquellos flujos de fotones que se dirigen en una dirección. Como resultado, la salida es un haz estrecho e intenso de ondas coherentes de la misma longitud de onda. Al principio, esto se consideró posible solo en estado sólido. El primer láser tenía un rubí artificial como medio de trabajo. Ahora hay láseres de todo tipo y tipo: en líquidos, gases e incluso en reacciones químicas. Como ve el lector, el papel principal en este proceso lo juega la absorción y emisión de luz por parte del átomo. En este caso, la cuantización de la energía es solo la base para describir la teoría.
Luz y electrón
Recuerde que la transición de un electrón en un átomo de una órbita a otra va acompañada de emisión o absorción de energía. Esta energía aparece en forma de cuanto de luz o fotón. Formalmente, un fotón es una partícula, pero se diferencia de otros habitantes del nanomundo. Un fotón no tiene masa, pero sí impulso. Esto fue probado por el científico ruso Lebedev en 1899, demostrando claramente la presión de la luz. Un fotón existe sólo en movimiento y su velocidadigual a la velocidad de la luz. Es el objeto más rápido posible en nuestro universo. La velocidad de la luz (normalmente denotada por la minúscula "c" latina) es de unos trescientos mil kilómetros por segundo. Por ejemplo, el tamaño de nuestra galaxia (que no es la más grande en términos espaciales) es de unos cien mil años luz. Al chocar con la materia, el fotón le da su energía por completo, como si se disolviera en este caso. La energía de un fotón que se libera o se absorbe cuando un electrón se mueve de una órbita a otra depende de la distancia entre las órbitas. Si es pequeña se emite radiación infrarroja de baja energía, si es grande se obtiene ultravioleta.
Rayos X y radiación gamma
La escala electromagnética después del ultravioleta contiene rayos X y radiación gamma. En general, se superponen en longitud de onda, frecuencia y energía en un rango bastante amplio. Es decir, hay un fotón de rayos X con una longitud de onda de 5 picómetros y un fotón gamma con la misma longitud de onda. Difieren sólo en la forma en que son recibidos. Los rayos X se producen en presencia de electrones muy rápidos, y la radiación gamma se obtiene únicamente en los procesos de descomposición y fusión de los núcleos atómicos. Los rayos X se dividen en blandos (usándolos para mostrar a través de los pulmones y los huesos de una persona) y duros (generalmente necesarios solo para fines industriales o de investigación). Si acelera el electrón con mucha fuerza y luego lo desacelera bruscamente (por ejemplo, dirigiéndolo hacia un cuerpo sólido), emitirá fotones de rayos X. Cuando tales electrones chocan con la materia, los átomos objetivo se rompenelectrones de las capas inferiores. En este caso, los electrones de las capas superiores toman su lugar, emitiendo también rayos X durante la transición.
Los cuantos gamma ocurren en otros casos. Los núcleos de los átomos, aunque están formados por muchas partículas elementales, también son de pequeño tamaño, lo que significa que se caracterizan por la cuantización de la energía. La transición de los núcleos de un estado excitado a un estado inferior va acompañada precisamente de la emisión de rayos gamma. Se produce cualquier reacción de descomposición o fusión de núcleos, incluida la aparición de fotones gamma.
Reacción nuclear
Un poco más arriba mencionamos que los núcleos atómicos también obedecen las leyes del mundo cuántico. Pero hay sustancias en la naturaleza con núcleos tan grandes que se vuelven inestables. Tienden a descomponerse en componentes más pequeños y más estables. Estos, como el lector probablemente ya adivina, incluyen, por ejemplo, plutonio y uranio. Cuando nuestro planeta se formó a partir de un disco protoplanetario, contenía cierta cantidad de sustancias radiactivas. Con el tiempo, se descompusieron y se convirtieron en otros elementos químicos. Pero aún así, una cierta cantidad de uranio sin descomponer ha sobrevivido hasta el día de hoy, y por su cantidad se puede juzgar, por ejemplo, la edad de la Tierra. Para los elementos químicos que tienen radiactividad natural, existe una característica como la vida media. Este es el período de tiempo durante el cual el número de átomos restantes de este tipo se reducirá a la mitad. La vida media del plutonio, por ejemplo, ocurre en veinticuatro mil años. Sin embargo, además de la radiactividad natural, también existe la forzada. Cuando se bombardean con partículas alfa pesadas o neutrones ligeros, los núcleos de los átomos se rompen. En este caso, se distinguen tres tipos de radiación ionizante: partículas alfa, partículas beta, rayos gamma. La desintegración beta hace que la carga nuclear cambie en uno. Las partículas alfa toman dos positrones del núcleo. La radiación gamma no tiene carga y no es desviada por un campo electromagnético, pero tiene el mayor poder de penetración. La cuantización de la energía ocurre en todos los casos de descomposición nuclear.
Guerra y paz
Láseres, rayos X, el estudio de sólidos y estrellas: todas estas son aplicaciones pacíficas del conocimiento sobre los cuantos. Sin embargo, nuestro mundo está lleno de amenazas y todos buscan protegerse. La ciencia también sirve para fines militares. Incluso un fenómeno tan puramente teórico como la cuantización de la energía ha sido puesto en guardia del mundo. La definición de la discreción de cualquier radiación, por ejemplo, formó la base de las armas nucleares. Por supuesto, solo hay algunas de sus aplicaciones de combate: el lector probablemente recuerde Hiroshima y Nagasaki. Todas las demás razones para presionar el codiciado botón rojo fueron más o menos pacíficas. Además, siempre está la cuestión de la contaminación radiactiva del medio ambiente. Por ejemplo, la vida media del plutonio, indicada anteriormente, inutiliza el paisaje en el que entra este elemento durante mucho tiempo, casi una época geológica.
Agua y cables
Volvamos al uso pacífico de las reacciones nucleares. Estamos hablando, por supuesto, de la generación de electricidad por fisión nuclear. El proceso se ve así:
En el núcleoEn el reactor, primero aparecen neutrones libres y luego golpean un elemento radiactivo (generalmente un isótopo de uranio), que sufre una desintegración alfa o beta.
Para evitar que esta reacción entre en una etapa descontrolada, el núcleo del reactor contiene los llamados moderadores. Por regla general, se trata de barras de grafito, que absorben muy bien los neutrones. Al ajustar su longitud, puede controlar la velocidad de reacción.
Como resultado, un elemento se convierte en otro y se libera una increíble cantidad de energía. Esta energía es absorbida por un recipiente lleno de la llamada agua pesada (en lugar de hidrógeno en las moléculas de deuterio). Como resultado del contacto con el núcleo del reactor, esta agua está muy contaminada con productos de desintegración radiactiva. La eliminación de esta agua es el mayor problema de la energía nuclear en este momento.
El segundo se coloca en el primer circuito de agua, el tercero se coloca en el segundo. El agua del tercer circuito ya es segura de usar, y es ella quien hace girar la turbina, que genera electricidad.
A pesar de la gran cantidad de intermediarios entre los núcleos generadores directos y el consumidor final (no olvidemos las decenas de kilómetros de cables que también pierden energía), esta reacción proporciona una potencia increíble. Por ejemplo, una planta de energía nuclear puede suministrar electricidad a un área entera con muchas industrias.
