यह लेख इस बारे में बात करता है कि ऊर्जा का परिमाणीकरण क्या है और आधुनिक विज्ञान के लिए इस घटना का क्या महत्व है। ऊर्जा की विसंगति की खोज का इतिहास दिया गया है, साथ ही परमाणुओं के परिमाणीकरण के अनुप्रयोग के क्षेत्र भी दिए गए हैं।
भौतिकी का अंत
उन्नीसवीं शताब्दी के अंत में, वैज्ञानिकों को एक दुविधा का सामना करना पड़ा: प्रौद्योगिकी विकास के तत्कालीन स्तर पर, भौतिकी के सभी संभावित नियमों की खोज, वर्णन और अध्ययन किया गया था। प्राकृतिक विज्ञान के क्षेत्र में अत्यधिक विकसित योग्यता रखने वाले विद्यार्थियों को शिक्षकों द्वारा भौतिकी चुनने की सलाह नहीं दी गई थी। उनका मानना था कि अब इसमें प्रसिद्ध होना संभव नहीं था, छोटे छोटे विवरणों का अध्ययन करने के लिए केवल नियमित कार्य था। यह एक प्रतिभाशाली व्यक्ति के बजाय एक चौकस व्यक्ति के लिए अधिक उपयुक्त था। हालाँकि, तस्वीर, जो एक मनोरंजक खोज से अधिक थी, ने सोचने का कारण दिया। यह सब साधारण विसंगतियों से शुरू हुआ। शुरू करने के लिए, यह पता चला कि प्रकाश पूरी तरह से निरंतर नहीं था: कुछ शर्तों के तहत, जलती हुई हाइड्रोजन ने एक स्थान के बजाय फोटोग्राफिक प्लेट पर लाइनों की एक श्रृंखला छोड़ दी। इसके अलावा यह पता चला कि हीलियम के स्पेक्ट्रा में थाहाइड्रोजन के स्पेक्ट्रा से अधिक रेखाएँ। तब पता चला कि कुछ सितारों की राह दूसरों से अलग होती है। और शुद्ध जिज्ञासा ने शोधकर्ताओं को सवालों के जवाब की तलाश में एक के बाद एक अनुभव को मैन्युअल रूप से रखने के लिए मजबूर किया। उन्होंने अपनी खोजों के व्यावसायिक उपयोग के बारे में नहीं सोचा।
प्लैंक और क्वांटम
सौभाग्य से हमारे लिए भौतिकी में यह सफलता गणित के विकास के साथ-साथ हुई। क्योंकि जो हो रहा था उसकी व्याख्या अविश्वसनीय रूप से जटिल फ़ार्मुलों में फिट होती है। 1900 में, मैक्स प्लैंक ने ब्लैक बॉडी रेडिएशन के सिद्धांत पर काम करते हुए पाया कि ऊर्जा की मात्रा निर्धारित की जाती है। संक्षेप में वर्णन करें कि इस कथन का अर्थ काफी सरल है। कोई भी प्राथमिक कण केवल कुछ विशिष्ट अवस्थाओं में ही हो सकता है। यदि हम एक मोटा मॉडल देते हैं, तो ऐसे राज्यों के काउंटर 1, 3, 8, 13, 29, 138 की संख्या दिखा सकते हैं। और उनके बीच अन्य सभी मूल्य दुर्गम हैं। इसके कारणों का हम थोड़ी देर बाद खुलासा करेंगे। हालाँकि, यदि आप इस खोज के इतिहास में तल्लीन हैं, तो यह ध्यान देने योग्य है कि वैज्ञानिक ने अपने जीवन के अंत तक, ऊर्जा परिमाणीकरण को केवल एक सुविधाजनक गणितीय चाल माना, गंभीर भौतिक अर्थ से संपन्न नहीं।
लहर और द्रव्यमान
बीसवीं सदी की शुरुआत प्राथमिक कणों की दुनिया से जुड़ी खोजों से भरी हुई थी। लेकिन बड़ा रहस्य निम्नलिखित विरोधाभास था: कुछ मामलों में, कण द्रव्यमान (और, तदनुसार, गति) के साथ वस्तुओं की तरह व्यवहार करते थे, और कुछ मामलों में, लहर की तरह। लंबी और जिद्दी बहस के बाद, मुझे एक अविश्वसनीय निष्कर्ष पर आना पड़ा: इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन औरन्यूट्रॉन में एक ही समय में ये गुण होते हैं। इस घटना को कॉर्पसकुलर-वेव द्वैतवाद कहा जाता था (दो सौ साल पहले रूसी वैज्ञानिकों के भाषण में, एक कण को एक कण कहा जाता था)। इस प्रकार, एक इलेक्ट्रॉन एक निश्चित द्रव्यमान होता है, जैसे कि एक निश्चित आवृत्ति की लहर में लिप्त हो। एक इलेक्ट्रॉन जो एक परमाणु के नाभिक के चारों ओर घूमता है, अपनी तरंगों को एक दूसरे के ऊपर अंतहीन रूप से आरोपित करता है। नतीजतन, केवल केंद्र से कुछ दूरी पर (जो तरंग दैर्ध्य पर निर्भर करता है) इलेक्ट्रॉन तरंगें, घूर्णन, एक दूसरे को रद्द नहीं करती हैं। ऐसा तब होता है, जब एक तरंग इलेक्ट्रॉन के "सिर" को उसकी "पूंछ" पर आरोपित किया जाता है, मैक्सिमा मैक्सिमा के साथ मेल खाता है, और मिनिमा मिनिमा के साथ मेल खाता है। यह एक परमाणु की ऊर्जा के परिमाणीकरण की व्याख्या करता है, अर्थात उसमें कड़ाई से परिभाषित कक्षाओं की उपस्थिति, जिस पर एक इलेक्ट्रॉन मौजूद हो सकता है।
निर्वात में गोलाकार नैनोहॉर्स
हालांकि, वास्तविक प्रणालियां अविश्वसनीय रूप से जटिल हैं। ऊपर वर्णित तर्क का पालन करते हुए, कोई अभी भी हाइड्रोजन और हीलियम में इलेक्ट्रॉनों की कक्षाओं की प्रणाली को समझ सकता है। हालांकि, और जटिल गणनाओं की पहले से ही आवश्यकता है। उन्हें समझने का तरीका जानने के लिए, आधुनिक छात्र एक संभावित कुएं में कण ऊर्जा के परिमाणीकरण का अध्ययन करते हैं। शुरू करने के लिए, एक आदर्श आकार का कुआँ और एक एकल मॉडल इलेक्ट्रॉन चुना जाता है। उनके लिए, वे श्रोडिंगर समीकरण को हल करते हैं, ऊर्जा के स्तर का पता लगाते हैं जिस पर इलेक्ट्रॉन हो सकता है। उसके बाद, वे अधिक से अधिक चर पेश करके निर्भरता की तलाश करना सीखते हैं: कुएं की चौड़ाई और गहराई, इलेक्ट्रॉन की ऊर्जा और आवृत्ति अपनी निश्चितता खो देती है, समीकरणों में जटिलता जोड़ती है। आगेगड्ढे का आकार बदल जाता है (उदाहरण के लिए, यह चौकोर हो जाता है या प्रोफ़ाइल में दांतेदार हो जाता है, इसके किनारे अपनी समरूपता खो देते हैं), निर्दिष्ट विशेषताओं वाले काल्पनिक प्राथमिक कण लिए जाते हैं। और उसके बाद ही वे उन समस्याओं को हल करना सीखते हैं जिनमें वास्तविक परमाणुओं की विकिरण ऊर्जा का परिमाणीकरण और उससे भी अधिक जटिल प्रणाली शामिल होती है।
गति, कोणीय गति
हालांकि, एक इलेक्ट्रॉन का ऊर्जा स्तर, कम या ज्यादा समझने योग्य मात्रा है। एक तरह से या किसी अन्य, हर कोई कल्पना करता है कि केंद्रीय हीटिंग बैटरी की उच्च ऊर्जा अपार्टमेंट में उच्च तापमान से मेल खाती है। तदनुसार, ऊर्जा के परिमाणीकरण की अभी भी कल्पना की जा सकती है। भौतिकी में ऐसी अवधारणाएँ भी हैं जिन्हें सहज रूप से समझना मुश्किल है। स्थूल जगत में, संवेग वेग और द्रव्यमान का गुणनफल है (यह मत भूलो कि वेग, संवेग की तरह, एक सदिश राशि है, अर्थात यह दिशा पर निर्भर करता है)। यह गति के लिए धन्यवाद है कि यह स्पष्ट है कि धीरे-धीरे उड़ने वाला मध्यम आकार का पत्थर किसी व्यक्ति को मारने पर केवल एक खरोंच छोड़ देगा, जबकि बड़ी गति से दागी गई एक छोटी गोली शरीर को और उसके माध्यम से छेद देगी। सूक्ष्म जगत में, संवेग एक ऐसी मात्रा है जो आसपास के स्थान के साथ एक कण के कनेक्शन की विशेषता है, साथ ही साथ अन्य कणों के साथ स्थानांतरित करने और बातचीत करने की क्षमता भी है। उत्तरार्द्ध सीधे ऊर्जा पर निर्भर करता है। इस प्रकार, यह स्पष्ट हो जाता है कि एक कण की ऊर्जा और संवेग का परिमाणीकरण परस्पर जुड़ा होना चाहिए। इसके अलावा, स्थिर एच, जो भौतिक घटना के सबसे छोटे संभव हिस्से को दर्शाता है और मात्राओं की विसंगति को दर्शाता है, को सूत्र में शामिल किया गया है औरनैनोवर्ल्ड में कणों की ऊर्जा और गति। लेकिन एक अवधारणा सहज जागरूकता से और भी दूर है - आवेग का क्षण। यह घूमने वाले पिंडों को संदर्भित करता है और इंगित करता है कि किस द्रव्यमान और किस कोणीय वेग के साथ घूमता है। याद रखें कि कोणीय वेग प्रति इकाई समय में घूर्णन की मात्रा को इंगित करता है। कोणीय गति भी एक घूर्णन शरीर के पदार्थ को वितरित करने के तरीके को बताने में सक्षम है: समान द्रव्यमान वाली वस्तुएं, लेकिन रोटेशन की धुरी के पास या परिधि पर केंद्रित, एक अलग कोणीय गति होगी। जैसा कि पाठक शायद पहले ही अनुमान लगा चुका है, परमाणु की दुनिया में, कोणीय गति की ऊर्जा को परिमाणित किया जाता है।
क्वांटम और लेजर
ऊर्जा और अन्य राशियों की विसंगति की खोज का प्रभाव स्पष्ट है। दुनिया का विस्तृत अध्ययन क्वांटम के कारण ही संभव है। पदार्थ के अध्ययन के आधुनिक तरीके, विभिन्न सामग्रियों का उपयोग, और यहां तक कि उनके निर्माण का विज्ञान भी ऊर्जा का परिमाणीकरण क्या है, यह समझने की एक स्वाभाविक निरंतरता है। ऑपरेशन का सिद्धांत और लेजर का उपयोग कोई अपवाद नहीं है। सामान्य तौर पर, लेजर में तीन मुख्य तत्व होते हैं: कार्यशील द्रव, पंपिंग और प्रतिबिंबित दर्पण। कार्यशील द्रव को इस तरह से चुना जाता है कि इसमें इलेक्ट्रॉनों के लिए दो अपेक्षाकृत निकट स्तर मौजूद हों। इन स्तरों के लिए सबसे महत्वपूर्ण मानदंड उन पर इलेक्ट्रॉनों का जीवनकाल है। अर्थात्, निम्न और अधिक स्थिर स्थिति में जाने से पहले एक इलेक्ट्रॉन एक निश्चित अवस्था में कितनी देर तक टिक पाता है। दो स्तरों में से, ऊपरी एक लंबे समय तक जीवित रहना चाहिए। फिर पंपिंग (अक्सर पारंपरिक लैंप के साथ, कभी-कभी इन्फ्रारेड लैंप के साथ) इलेक्ट्रॉनों को देता हैउन सभी के लिए ऊर्जा के शीर्ष स्तर पर इकट्ठा करने और वहां जमा करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा। इसे व्युत्क्रम स्तर की जनसंख्या कहते हैं। इसके अलावा, कुछ एक इलेक्ट्रॉन एक फोटॉन के उत्सर्जन के साथ कम और अधिक स्थिर अवस्था में जाता है, जो सभी इलेक्ट्रॉनों के नीचे की ओर टूटने का कारण बनता है। इस प्रक्रिया की ख़ासियत यह है कि सभी परिणामी फोटॉन की तरंग दैर्ध्य समान होती है और वे सुसंगत होते हैं। हालांकि, कामकाजी निकाय, एक नियम के रूप में, काफी बड़ा है, और इसमें प्रवाह उत्पन्न होते हैं, विभिन्न दिशाओं में निर्देशित होते हैं। परावर्तक दर्पण की भूमिका केवल उन फोटॉन धाराओं को फ़िल्टर करना है जो एक दिशा में निर्देशित होती हैं। नतीजतन, आउटपुट समान तरंग दैर्ध्य की सुसंगत तरंगों का एक संकीर्ण तीव्र बीम है। पहले तो इसे ठोस अवस्था में ही संभव माना जाता था। पहले लेजर में काम करने वाले माध्यम के रूप में एक कृत्रिम माणिक था। अब सभी प्रकार और प्रकार के लेजर हैं - तरल पदार्थ, गैसों और यहां तक कि रासायनिक प्रतिक्रियाओं पर भी। जैसा कि पाठक देखता है, इस प्रक्रिया में मुख्य भूमिका परमाणु द्वारा प्रकाश के अवशोषण और उत्सर्जन द्वारा निभाई जाती है। इस मामले में, ऊर्जा परिमाणीकरण केवल सिद्धांत का वर्णन करने का आधार है।
प्रकाश और इलेक्ट्रॉन
याद रखें कि एक परमाणु में एक इलेक्ट्रॉन का एक कक्षा से दूसरी कक्षा में संक्रमण या तो उत्सर्जन या ऊर्जा के अवशोषण के साथ होता है। यह ऊर्जा प्रकाश की मात्रा या फोटॉन के रूप में प्रकट होती है। औपचारिक रूप से, एक फोटॉन एक कण है, लेकिन यह नैनोवर्ल्ड के अन्य निवासियों से अलग है। एक फोटॉन का कोई द्रव्यमान नहीं होता है, लेकिन इसमें गति होती है। यह 1899 में रूसी वैज्ञानिक लेबेदेव द्वारा सिद्ध किया गया था, जो स्पष्ट रूप से प्रकाश के दबाव का प्रदर्शन करता था। एक फोटॉन केवल गति और उसकी गति में मौजूद होता हैप्रकाश की गति के बराबर। यह हमारे ब्रह्मांड में सबसे तेज संभव वस्तु है। प्रकाश की गति (मानक रूप से छोटे लैटिन "सी" द्वारा निरूपित) लगभग तीन लाख किलोमीटर प्रति सेकंड है। उदाहरण के लिए, हमारी आकाशगंगा का आकार (अंतरिक्ष की दृष्टि से सबसे बड़ा नहीं) लगभग एक लाख प्रकाश वर्ष है। पदार्थ से टकराने पर फोटॉन उसे पूरी तरह से अपनी ऊर्जा देता है, मानो इस मामले में घुल रहा हो। एक इलेक्ट्रॉन के एक कक्षा से दूसरी कक्षा में जाने पर मुक्त या अवशोषित फोटॉन की ऊर्जा कक्षाओं के बीच की दूरी पर निर्भर करती है। यदि यह छोटा है, तो कम ऊर्जा वाला अवरक्त विकिरण उत्सर्जित होता है, यदि यह बड़ा है, तो पराबैंगनी प्राप्त होता है।
एक्स-रे और गामा विकिरण
पराबैंगनी के बाद विद्युत चुम्बकीय पैमाने में एक्स-रे और गामा विकिरण होते हैं। सामान्य तौर पर, वे तरंग दैर्ध्य, आवृत्ति और ऊर्जा में काफी विस्तृत श्रृंखला में ओवरलैप करते हैं। यानी 5 पिकोमीटर की तरंग दैर्ध्य वाला एक एक्स-रे फोटॉन और समान तरंग दैर्ध्य वाला एक गामा फोटॉन होता है। वे केवल प्राप्त करने के तरीके में भिन्न होते हैं। एक्स-रे बहुत तेज इलेक्ट्रॉनों की उपस्थिति में होते हैं, और गामा विकिरण केवल परमाणु नाभिक के क्षय और संलयन की प्रक्रियाओं में प्राप्त होता है। एक्स-रे को नरम (किसी व्यक्ति के फेफड़ों और हड्डियों के माध्यम से दिखाने के लिए इसका उपयोग करके) और कठोर (आमतौर पर केवल औद्योगिक या अनुसंधान उद्देश्यों के लिए आवश्यक) में विभाजित किया गया है। यदि आप इलेक्ट्रॉन को बहुत तेज गति से गति देते हैं, और फिर इसे तेजी से कम करते हैं (उदाहरण के लिए, इसे एक ठोस शरीर में निर्देशित करके), तो यह एक्स-रे फोटॉन का उत्सर्जन करेगा। जब ऐसे इलेक्ट्रॉन पदार्थ से टकराते हैं, तो लक्ष्य परमाणु टूट जाते हैंनिचले कोश से इलेक्ट्रॉन। इस मामले में, ऊपरी कोश के इलेक्ट्रॉन अपना स्थान लेते हैं, संक्रमण के दौरान एक्स-रे भी उत्सर्जित करते हैं।
गामा क्वांटा अन्य मामलों में होता है। परमाणुओं के नाभिक, हालांकि उनमें कई प्राथमिक कण होते हैं, आकार में भी छोटे होते हैं, जिसका अर्थ है कि वे ऊर्जा परिमाणीकरण द्वारा विशेषता हैं। एक उत्तेजित अवस्था से निम्न अवस्था में नाभिक का संक्रमण ठीक गामा किरणों के उत्सर्जन के साथ होता है। नाभिक के क्षय या संलयन की कोई भी प्रतिक्रिया, गामा फोटॉन की उपस्थिति सहित।
परमाणु प्रतिक्रिया
थोड़ा ऊपर हमने उल्लेख किया कि परमाणु नाभिक भी क्वांटम दुनिया के नियमों का पालन करते हैं। लेकिन प्रकृति में ऐसे पदार्थ होते हैं जिनमें इतने बड़े नाभिक होते हैं कि वे अस्थिर हो जाते हैं। वे छोटे और अधिक स्थिर घटकों में टूट जाते हैं। ये, जैसा कि पाठक शायद पहले से ही अनुमान लगाते हैं, उदाहरण के लिए, प्लूटोनियम और यूरेनियम शामिल हैं। जब हमारा ग्रह एक प्रोटोप्लेनेटरी डिस्क से बना था, तो उसमें एक निश्चित मात्रा में रेडियोधर्मी पदार्थ थे। समय के साथ, वे सड़ गए, अन्य रासायनिक तत्वों में बदल गए। लेकिन फिर भी, एक निश्चित मात्रा में यूरेनियम आज तक बच गया है, और इसकी मात्रा से कोई भी न्याय कर सकता है, उदाहरण के लिए, पृथ्वी की उम्र। प्राकृतिक रेडियोधर्मिता वाले रासायनिक तत्वों के लिए अर्ध-जीवन जैसी विशेषता होती है। यह वह समयावधि है जिसके दौरान इस प्रकार के शेष परमाणुओं की संख्या आधी हो जाएगी। उदाहरण के लिए, प्लूटोनियम का आधा जीवन चौबीस हजार वर्षों में होता है। हालांकि, प्राकृतिक रेडियोधर्मिता के अलावा, मजबूर भी है।जब भारी अल्फा कणों या हल्के न्यूट्रॉन के साथ बमबारी की जाती है, तो परमाणुओं के नाभिक टूट जाते हैं। इस मामले में, तीन प्रकार के आयनकारी विकिरण प्रतिष्ठित हैं: अल्फा कण, बीटा कण, गामा किरणें। बीटा क्षय के कारण नाभिकीय आवेश एक-एक करके बदल जाता है। अल्फा कण नाभिक से दो पॉज़िट्रॉन लेते हैं। गामा विकिरण का कोई आवेश नहीं होता है और यह विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र द्वारा विक्षेपित नहीं होता है, लेकिन इसमें उच्चतम मर्मज्ञ शक्ति होती है। परमाणु क्षय के सभी मामलों में ऊर्जा परिमाणीकरण होता है।
युद्ध और शांति
लेजर, एक्स-रे, ठोस और तारों का अध्ययन - ये सभी क्वांटा के बारे में ज्ञान के शांतिपूर्ण अनुप्रयोग हैं। हालाँकि, हमारी दुनिया खतरों से भरी है, और हर कोई अपनी रक्षा करना चाहता है। विज्ञान सैन्य उद्देश्यों को भी पूरा करता है। ऊर्जा के परिमाणीकरण जैसी विशुद्ध रूप से सैद्धांतिक घटना को भी दुनिया के सामने रख दिया गया है। उदाहरण के लिए, किसी भी विकिरण की विसंगति की परिभाषा ने परमाणु हथियारों का आधार बनाया। बेशक, इसके कुछ ही लड़ाकू अनुप्रयोग हैं - पाठक शायद हिरोशिमा और नागासाकी को याद करते हैं। लाल बटन दबाने के अन्य सभी कारण कमोबेश शांतिपूर्ण थे। साथ ही पर्यावरण के रेडियोधर्मी संदूषण का सवाल हमेशा बना रहता है। उदाहरण के लिए, ऊपर बताए गए प्लूटोनियम का आधा जीवन उस परिदृश्य को बनाता है जिसमें यह तत्व बहुत लंबे समय के लिए अनुपयोगी हो जाता है, लगभग एक भूवैज्ञानिक युग।
पानी और तार
आइए परमाणु प्रतिक्रियाओं के शांतिपूर्ण उपयोग पर वापस आते हैं। हम बात कर रहे हैं, निश्चित रूप से, परमाणु विखंडन द्वारा बिजली के उत्पादन के बारे में। प्रक्रिया इस तरह दिखती है:
कोर मेंरिएक्टर में, मुक्त न्यूट्रॉन पहले दिखाई देते हैं, और फिर वे एक रेडियोधर्मी तत्व (आमतौर पर यूरेनियम का एक समस्थानिक) से टकराते हैं, जो अल्फा या बीटा क्षय से गुजरता है।
इस प्रतिक्रिया को अनियंत्रित अवस्था में जाने से रोकने के लिए, रिएक्टर कोर में तथाकथित मॉडरेटर होते हैं। एक नियम के रूप में, ये ग्रेफाइट की छड़ें होती हैं, जो न्यूट्रॉन को बहुत अच्छी तरह से अवशोषित करती हैं। उनकी लंबाई को समायोजित करके, आप प्रतिक्रिया दर की निगरानी कर सकते हैं।
परिणामस्वरूप, एक तत्व दूसरे में बदल जाता है, और अविश्वसनीय मात्रा में ऊर्जा निकलती है। यह ऊर्जा तथाकथित भारी पानी (ड्यूटेरियम अणुओं में हाइड्रोजन के बजाय) से भरे एक कंटेनर द्वारा अवशोषित की जाती है। रिएक्टर कोर के संपर्क के परिणामस्वरूप, यह पानी रेडियोधर्मी क्षय उत्पादों से अत्यधिक दूषित होता है। इस पानी का निस्तारण ही इस समय परमाणु ऊर्जा की सबसे बड़ी समस्या है।
दूसरे को पहले वाटर सर्किट में रखा गया है, तीसरे को दूसरे में रखा गया है। तीसरे सर्किट का पानी पहले से ही उपयोग करने के लिए सुरक्षित है, और यह वह है जो टरबाइन को घुमाती है, जिससे बिजली पैदा होती है।
सीधे जनरेट करने वाले कोर और अंतिम उपभोक्ता के बीच इतनी बड़ी संख्या में बिचौलियों के बावजूद (चलो दस किलोमीटर के तारों को भी न भूलें जो बिजली भी खो देते हैं), यह प्रतिक्रिया अविश्वसनीय शक्ति प्रदान करती है। उदाहरण के लिए, एक परमाणु ऊर्जा संयंत्र कई उद्योगों के साथ पूरे क्षेत्र में बिजली की आपूर्ति कर सकता है।
