Физика: Квантовая энергия
Содержание
Теория квантов
Если это вода, то наименьшее ее количество - одна молекула. Одна молекула воды - это квант воды и меньшее ее количество получить невозможно. Когда говорят о том, что какая-то величина квантуется, понимают, что данная величина принимает ряд определенных, дискретных значений. Так, энергия электрона в атоме квантуется, свет распространяется «порциями», то есть квантами. Квант обладает энергией: E = hν.
Теория квантов зародилась в начале 20 века, когда идеи классической физики не смогли объяснить некоторые наблюдения. В 1900 году Макс Планк решил эту задачу, допустив, что атомы могут вибрировать только на специфических, квантованных частотах.
Затем в 1905 году Эйнштейн раскрыл тайну фотоэффекта, когда свет, падая на металл, высвобождает электроны лишь с определёнными значениями энергии.
Существующая тогда теория света как волны не смогла объяснить этот эффект, но Эйнштейн предложил элегантное решение, допустив, что свет распространяется отдельными порциями энергии, названными фотонами – гениальная идея, вознагражденная в 1921 г. Нобелевской премией по физике.
Атомная энергия
Атомная энергия – это энергия, которая заключена внутри каждого атома. Закон сохранения энергии гласит, что энергия не может исчезнуть или быть создана заново, она может переходить из одного состояния в другое.
Вещество может быть переведено в энергию. Известный ученый Альберт Эйнштейн вывел математическую формулу, где энергия и масса связаны соотношением Е=mc^2
Ученые использовали известное математическое уравнение Эйнштейна для открытия атомной энергии и для создания атомной бомбы.
Ядерное деление
В ядре атома содержится большое количество энергии, но чтобы эту энергию получить, необходимо разорвать, разрушить крепкие связи внутри ядра. При разрушении (делении) ядра (Деление ядра https://ru.wikipedia.org/wiki/Деление_ядра) выделяется огромное количество энергии, как тепловой, так и световой. Если эту энергию выпускать ограниченным потоком, то ее можно использовать для производства электричества, но если она выйдет вся сразу, то произойдет такой мощный взрыв, как при взрыве атомной бомбы.
В 1939 году немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом было открыто деление ядер урана. Они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической системы. При попадании нейтрона в ядро атома урана происходит его деление на 2 осколка с выбрасыванием 2-3 нейтронов.
На атомных электростанциях в качестве топлива чаще всего используют уран, так как его ядро легче всего разрушается.
Уран – это радиоактивный элемент, который добывают из земли. На специализированных предприятиях из него делают гранулы, по форме напоминающие очень большие таблетки, которые кладут в очень длинный стержень (урановый стержень), затем этот стержень помещают в ядерный реактор.
На атомных электростанциях внутри реактора происходит ядерное деление атомов урана по схеме цепных реакций.
Цепные реакции
Для деления ядра достаточно, чтобы в него попала частиц – снаряд. Оказалось, что самым лучшим снарядом является нейтрон того же вещества. В цепных реакциях под воздействием нейтрона происходит расщепление ядра и при этом оттуда вылетает уже два нейтрона. Вновь освобожденные нейтроны ударяются о другие атомы урана, расщепляя их, то есть ядра расщепляются по цепочке, при этом выделяется большое количество энергии. Таким образом, происходят цепные реакции.
Наименьшая масса урана, при которой возможно протекание цепной реакции, называется критической массой.
Критическая масса шарообразного куска урана-235 приблизительно равна 50 кг. При этом его радиус составляет всего 9 см, поскольку уран имеет очень большую плотность. Применяя замедлитель и отражающую оболочку, и уменьшая количество примесей, удается снизить критическую массу урана до 0,8 кг. Реакция деления ядер урана идет с выделением энергии в окружающую среду.
Энергия, заключенная в ядрах атомов, колоссальна. Например, при полном делении всех ядер, имеющихся в 1г урана, выделилось бы столько же энергии, сколько выделяется при сгорании 3 тонн каменного угля.
В атомных бомбах цепная неуправляемая ядерная реакция возникает при быстром соединении двух кусков урана-235, каждый из которых имеет массу несколько ниже критической.
Для того чтобы регулировать процесс расщепления, чтобы он не был очень быстрым, на атомных электростанциях используется контрольный стержень. Данные реакции должны происходить под постоянным контролем. Если реактор не контролировать, то может произойти взрыв, при котором выделяются радиоактивные элементы, очень опасные для человека.
При цепных реакциях выделяется большое количество энергии, которая используется для нагрева воды и получения пара. Пар приводит в действие турбины, которые и производят электроэнергию.
Ядерный распад. Реакция ядерного распада используется в ядерных электростанциях. Это когда два больших ядра атома распадаются на два маленьких. При такой реакции масса осколков получается меньше массы ядра, пропавшая масса и уходит в энергию. Ядерный взрыв – это тоже ядерный распад, но неуправляемый.
Синтез ядра
Два вида атома водорода: дейтерий (тяжелый водород) и тритий объединяются для создания атома гелия; отдельная частица называется нейтроном. При данных реакциях тоже происходит выделение энергии.
Преимущество использования реакций синтеза ядра состоит в том, что в результате этих реакций образуется меньше радиоактивных веществ, чем при цепных реакциях деления ядер. И поступление топлива от такой реакции может быть более длительным, чем от Солнца.
Наука может выступить и против человека. Атомный взрыв в японских городах Хиросима и Нагасаки - трагический тому пример.
Основными проблемами производства атомной энергии являются утилизация и хранение ядерных отходов, а также обеспечение безопасности производства. На сегодняшний день нет абсолютно надежных и безопасных способов утилизации отходов.
Взрыв на Чернобыльской атомной электростанции приостановил развитие атомной энергетики во всем мире. После этой катастрофы правительства многих стран задумались о целесообразности использования энергии атома. И хотя сам атом вряд ли может быть обвинен в случившемся, на сегодня отношение к использованию атомной энергии неоднозначно.
Глоссарий
- Квант (от лат. Quantum - «сколько») - неделимая порция какой-либо величины.
- Фотоэффект или фотоэлектрический эффект - испускание электронов веществом под действием света или любого другого электромагнитного излучения.
- Атомная энергия (ядерная энергия) - это энергия, содержащаяся в атомных ядрах и выделяемая при ядерных реакциях.
- Атомная электростанция (АЭС) — ядерная установка, использующаяся для производства электрической (и в некоторых случаях тепловой) энергии и содержащая комплекс необходимых сооружений и оборудования
- Ядерный реактор – установка, в которой осуществляется управляемая цепная реакция деления тяжелых ядер.
- Ядерное деление – это процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемыми осколками деления.
Полезные ссылки
- Как работает атомная электростанция - https://theoryandpractice.ru/posts/484-kak-rabotaet-atomnaya-elektrostantsiya
- Что такое кванты - https://quantuz.livejournal.com/1232.html
Библиография
- Физика деления и синтез ядер - http://www.lib.tpu.ru/fulltext/m/2010/m2/glava_4.7.html
1. Большой адронный коллайдер https://ru.wikipedia.org/wiki/Большой_адронный_коллайдер
2. Как работает Большой Адронный Коллайдер
3. А знаете ли вы, что:
- Первый ядерный реактор: США, 1942 г., Э.Ферми, деление ядер урана.
В России: в Советском Союзе 25 декабря 1946 года был создан первый реактор под руководством Игоря Васильевича Курчатова, а первая атомная электростанция – в 1954 году в городе Обнинске. Тогда ее мощность была невелика – 5000 кВт.
Главным источником дополнительной энергии мы считаем энергосбережение. Подсчитано, что в России до 40% вырабатываемой энергии теряется на пути к потребителю или в результате расточительного использования.
- Атомный взрыв в городах Хиросима и Нагасаки. 6 августа 1945 года в 1час 45 минут американский бомбардировщик B-29 под командованием полковника Пола Тиббетса, взлетел с острова Тиниан, находившегося примерно в 6 часах лета от Хиросимы.
Количество погибших от непосредственного воздействия взрыва составило от 70 до 80 тысяч человек. К концу 1945 года, в связи с действием радиоактивного заражения и других пост-эффектов взрыва, общее количество погибших составило от 90 до 166 тысяч человек. По истечении 5 лет, общее количество погибших достигло 200000 человек.
В 2:47 9 августа американский бомбардировщик B-29 под командованием майора Чарльза Суини, нёсший на борту атомную бомбу, взлетел с острова Тиниан. В 10:56 В-29 прибыл к Нагасаки. Взрыв произошёл в 11:02 местного времени.
Количество погибших к концу 1945 года составило от 60 до 80 тысяч человек. По истечении 5 лет, общее количество погибших, с учётом умерших от рака и других долгосрочных воздействий взрыва, могло достичь или даже превысить 140 000 человек.
- Чернобыльская АЭС. На 25 апреля 1986 года был запланирован тест четвертого энергоблока реактора АЭС в Чернобыле, по самообеспечению энергией. Эксперимент выполнялся без учета ряда предосторожностей. Действия персонала не скоординировали с работниками, отвечавшими за ядерную безопасность. Для тестирования требовалось понизить мощность реактора. Достичь этого удалось только путем технологических нарушений. Внезапное прибавление теплоты в 1 час 23 минуты привело к взрыву, разрушившему реакторное ядро. Тремя секундами позже произошел еще один взрыв. Они разрушили крышу реактора и 8 из 140 тонн радиоактивного топлива вырвалось наружу. В результате возник пожар. Из города Припяти вызвали более 100 пожарных. Именно они приняли на себя самую большую дозу облучения и понесли значительные потери. Пожар был потушен только к 9 мая.
Людей начали выселять только через 4 дня. Люди в Чернобыле подверглись облучению в 90 раз большему, чем при падении бомбы на Хиросиму. 2 человека погибли при взрыве, 28 пожарников умерли от лучевой болезни, около 134 человек с диагнозом лучевая болезнь. Но точного учета нет.
Ликвидаторов аварии было 316553 человек, из 30-тикилометровой зоны выселено более 390 тыс. человек.
Атомный смерч сорвал людей с места, лишил надежды на будущее, оставив взамен муки неустроенности, нервозности, безразличие политиков и чиновников. Так что число втянутых в эту трагедию можно оценить свыше 700 тыс. человек.
4. Энергетическая проблема – одна из важнейших проблем, которые сегодня приходится решать человечеству. Уже стали привычными такие достижения науки и техники, как средства мгновенной связи, быстрый транспорт, освоение космического пространства. Но все это требует огромных затрат энергии. Однако, известно, что запасов угля может хватить примерно на 350 лет, нефти – на 40 лет, природного газа – на 60 лет.
В настоящее время проблему «энергетического голода» может помочь решить ядерная энергетика.
Сегодня 440 ядерных блоков общей мощностью 364 ГВт в 31 стране обеспечивают более 16% производства мировой электроэнергии; в 2003 г. ими произведено 2525 млрд. кВт/ч электроэнергии. Еще 30 энергоблоков в 11 странах находятся в стадии строительства, причем большая часть строящихся и запланированных АЭС приходится на азиатский регион.
По данным Управления энергетической информации США (EIA), потребление энергии в мире до 2025 г. возрастет на 54%. Прогнозируется увеличение мирового производства электроэнергии на АЭС с 2521 млрд. кВт/ч в 2001 г. до 3032 млрд. кВт/ч в 2020 г.
Преимущества атомных электростанций (АЭС) перед тепловыми (ТЭЦ) и гидроэлектростанциями (ГЭС) очевидны: нет отходов, газовых выбросов, нет необходимости вести огромные объемы строительства, возводить плотины и хоронить плодородные земли на дне водохранилищ.
- Свободная энергия для человечества Шокирующие доказательства квантовой физики
- Кто выиграет в покер: квантовый физик или таксист?
Самая мощная водородная бомба была взорвана 40 лет назад. Утром 30 октября в 11 ч. 32 мин. над Новой Землей в районе Губы Митюши на высоте 4000 м над поверхностью суши была взорвана водородная бомба мощностью в 50 млн. т. тротила.
Советский Союз провел испытание самого мощного в истории термоядерного устройства. Даже в "половинном" варианте (а максимальная мощность такой бомбы составляет 100 мегатонн) энергия взрыва десятикратно превышала суммарную мощность всех взрывчатых веществ, использованных всеми воюющими сторонами за годы Второй мировой войны (включая атомные бомбы, сброшенные на Хиросиму и Нагасаки).
Ударная волна от взрыва трижды обогнула земной шар, первый раз - за 36 ч. 27 мин. Световая вспышка была настолько яркой, что, несмотря на сплошную облачность, была видна даже с командного пункта в поселке Белушья Губа (отдаленном от эпицентра взрыва почти на 200 км). Грибовидное облако выросло до высоты 67 км.
Самая мощная в мире экспериментальная бомба 100 мегатонн.
Уран излучает радиацию в камере Вильсона.
По горизонтали 2. Достигнув какой границы фотоэффект прекратится 3. Как называется радиоактивный изотоп водорода с массовым числом 2? 4. Общее название протонов и нейтронов 6. Прибор для наблюдения следов заряженных частиц, созданный Ч. Вильсоном 7. Согласно де Бройлю, микрообъект обладает не только волновыми характеристиками, но и… 9. Слияние легких ядер, сопровождаемое выделением огромного количества энергии 11. Какие состояния описывает уравнение Шредингера с фиксированными значениями энергии 12. Определяет вероятность нахождения частицы в окрестности точки с координатами x, y, z 13. Теория этого ученого была опровергнута, в противном случае все электроны упали бы на ядро 14. Время, за которое исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое-период 15. Единицей магнитных моментов ядер служит ядерный … 16. Разновидность внутреннего фотоэффекта 17. В каждой из оболочек электроны распределяются по 20. Радиоактивный распад происходит в соответствии с этими правилами 22. Атомное ядро состоит из протона и нейтральной частицы: 23. Как называются элементы, имеющие одинаковые химические свойства, но различные физические
По вертикали 1. Люди чаще вспоминают его кота, чем его уравнение 5. Испускание ядрами некоторых элементов различных частиц, сопровождающееся переходом ядра в другое состояние и изменением его параметров 8. Превращение одних ядер в другие, сопровождаемое вылетом элементарных частиц 10. Первая модель ядра, созданная Н. Бором и Я.И. Френкелем 17. Античастица электрона 18. Он подобрал эмпирическую формулу, описывающую все известные спектральные линии атома водорода в видимой области спектра 19. Самые мощные силы 21. Кто открыл эффект упругого рассеяния коротковолнового электромагнитного излучения на свободных электронах вещества, сопровождающегося увеличением длины волны? 23. Что согласно принципу неопределенностей Гейзенберга не может иметь частица одновременно с определенной координатой
