Квант физикасы

Квант (нем. Quant, лат. quantum – қанша) – физиканың бөлінбес негізгі бөлімі.

1. табиғаты (үзілісті) физикалық шаманың мүмкін болатын өзгеруінің ең кіші мөлшері;
2. әсер кванты – негізгі физикалық тұрақтылардың бірі;
3. қандай да бір физикалық өрістің қасиетін тасушы бөлшек.

Макс Планк (1858-1947)

Теватрон коллайдері және Бас инжектордың сақинасы

(мысалы, электрмагниттік өрістің кванты – фотон, дыбыс тербелістері өрісінің кванты – фонон).

Физикада болған ең ұлы төңкерiс XX ғасырдың бас кезiне дәл келедi. Тәжiрибеде байқалған жылудың сәуле шығару (қызған дененің электромагниттiк толқындар шығаруы) спектрлерiне энергияның үлестiрiлу заңдылықтарын түсiндiру мүмкiн болмады. Максвеллдiң сан рет тексерiлген электромагнетизм заңдарын заттың қысқа шығару проблемасына қолданбақшы болғанда, кенет «қарсылық керсеттi». Бұл заңдардың антеннаның радиотолқындар шығаруын тамаша сипаттауы және өз кезінде электромагниттiк толқындардың барын осы зандар негiзiнде алдын ала айтуы таңқаларлық едi.

Максвеллдiң қызған дене электромагниттiк толқындар шығару салдарынан унемi энергия жұмсап шығындана отырып, абсолют нөлге дейiн салқындауы тиiс деген электродинамикасы мағынасыз тұжырым жасауға келтiрiлген-дi.

теория бойынша зат пен толқын шығару арасында жылулық тепе-теңдiк болуы мүмкiн емес. Алайда күнделiктi тәжiрибеде шындығында мұндай ешнәрсе жоқ екенiн көрсетедi. Кызған дене өзiнiң барлық энергиясын электромагниттiк толқын шығаруға жұмсайды.

Физикада болған ең ұлы революция XX ғасырдың бас кезіне келеді. Тәжірибеде байқалған жылулық сәуле шығару спектрлерінде энергияның үлестірілу заңдылықтарын түсіндіру мүмкін болмады.

Теория мен тәжірибе арасындағы осы қарама- қайшылықтан шығудың жолын іздеу барысында неміс физигі Макс Планк атомдар электромагниттік энергияны жеке порциялармен – кванттармен шығарады деп болжаған.

Әрбір порцияның Е энергиясы оны шығару жиілігі v-ге

E=hv

Һ Планк тұрақтысы деп аталады.

Жарық қысымы

Жарық қысымын П.Н. Лебедев өлшеді.

Толқынның электр өрісінің әсерінен денедегі электрондар тербеліс жасайды. Электр тогы пайда болады. Бұл ток электр өрісі кернеулігінің бойымен бағытталған. Реттелген қозғалыстағы электрондарға магнит өрісі тарапынан Лоренц күші әсер етеді. Сол қол ережесі бойынша Лоренц күші толқынның таралу бағытына қарай бағытталған. Жарық қысымының күші деген сол.

дұрыстығын делелдеу үшiн жарық қысымын өлшеу маңызды болады. Көптеген ғалымдар солай жасамақшы едi, бiрақ жарық кысымы өте аз болғандыктан, оның сәтi келмедi. Күн ашық күндерi бір метрге не бары 4 . 10-6 Н күш әсер етеді. Жарық қысымын алғашкы рет атақты орыс физигi Петр Николаевич Лебедев 1900 ж. өлшедi.

Жарықтың химиялық әсері

Молекулалардың кез келген түрленуi — химиялық процесс. Көбiнесе жарықтың әсерiнен молекула ыдырағанда, тiзбектелген химиялық түрленулер басталады. Күн сәулелерiнiң әсерiнен матаның оңуы және күнге тотығу — жарыктың химиялық әсерінің мысалдары.

Ағаштар мен шөптiң жасыл жапырақтарында, қылқан жапырақтылардың қылқандарында, тағы басқа көптеген микроағзаларда жарықтың әсерiнен аса маңызды химиялық реакциялар жүредi. Күннің әсерiнен жасыл жапырақтарда Жердегi барлык тiршiлiк үшін қажеттi процестер журедi. Олар бiзге қорек бередi, сондай-ақ бiзге дем алу үшін оттегiн бередi.

Жапырақтар ауадан көмiрқышқыл газды жұтады да, оның молекулаларын құрама бөлiктерiне: көміртегi мен оттегiне ыдыратады. Орыс биологы Климент Тимирязев анықтағандай бұл хлорофилл молекулаларында күн спектрiнiң қызыл сәулелерiнiң әсерiнен орындалады. Көмiртегi тiзбегiне жерден тамыр арқылы алынатын басқа элементтер атомын бiрiктiре отырып, өсiмдiктер адам мен жануарлар үшін қореқ белоктардың, майдың және коміртегінің молекулаларын құрастырады.

Фотосурет

сезгiш қабаты желатинге енгiзiлген бромды күмiстiң майда кристалдарынан тұрады. Кристалдарға жарық кванттары түскенде электрондар бромның кейбiр иондарынан бөлiнiп кетедi. Бұл электрондарды күмiстiң иондары қармап алады да, кристалдарда шағын мөлшерде күмiстің бейтарап атомдары пайда болады. Бiрақ осы процестiң есебiнен бөлiнiп шыққан металл күйдегi күмiстiң мөлшерi аз.

Шындығында, фотопластинаның (немесе фотопленканың) уақыт өтуiне байланысты жарықтан аз да болса қараятынын байқауға болады. Бұл қараю металл пайда болуынан туған. Жарыктың әсерiмен объектiнiң фотопластинада пайда болған кескiнiн жасырын деп айтады.

өңдеудегi бiрiншi операция айқындау болып табылады. Пластина гидрохинонның металдың немесе баска заттардың ертiндiсiне батырылады, олардың әсерiнен бромды күмiстiң жеке молекулалары ыдыраған барлық кристалдарынан металл күмiс бөлiнiп шығады. Пластинада объектiнiң негатив кескiнi пайда болады, онда объектiнiң жарық жерлерi караңғы және керiсiнше болады.

Бұдан кейiнгi операция — бекiту — мұнда бромды күмiстiң калған кристалдары ерiтiледi де, жуылады. Осының салдарынан пластина жарық сезгiш болмай калады. Бекiту үшiн пластинаны гипосульфиттiң ерiтiндiсiне батырады. Суға жуған соң негатив дайын болады. Оны фотоқағаздың, яғни жарық сезгiш қабат қапталған кәдiмгi қағаздың үстiне орналастырып, жарықтандырып және жоғарыда көрсетiлгендей, химиялық оңдеу жасаған соң, позитив кескiн шығарып алады. Ендi позитивте жарық және караңғы реңктердiң таралуы дұрыс (айналдырылмаған) болды.

Бордың кванттық постулаттары

Табиғаттағы процестер туралы кванттық тусiнiктердi одан әрi дамыта отырып, 1913 ж. данияның ұлы физигi Нильс Бор физиктердi ойландырған өте қиын жағдайдан шығарудың жолын тапты.

Бордың еңбегiне сүйсiнген Эйнштейн, оны “ақыл-ой саласындағы жоғары музыкалық дарын” деп бағалады. Бір-бiрiнен дара жатқан тәжiрибе деректерiне сүйене отырып, Бор данышпандық интуицияның жәрдемiмен iстiң мәнiн дұрыс аңғарды.

Бордың бiріншi постулатында былай делiнген: атомдық жүйе тек ерекше стационар немесе кванттық күйдерде ғана болады, олардың әрқайсысына белгiлi бiр энергия Еn сәйкес келедi. Стационар күйде атом сәуле шығармайды.

Бордың екінші постулатына сәйкес, атом үлкен энергиялы Ек стационар күйден аэ энергиялы Еn стационар күйге өткенде жарық шығарылады. Шығарылған фотонның энергиясы атомның стационар екi күйдегi энергияларының айырмасына тең.

Атом ядросының физикасы

Атом ядросы және элементар бөлшектер деген сөз физика курсында әлденеше рет қайталанады. Атом ядросының өзi элементар бөлшектерден тұрады.

Физиканың атом ядроларының кұрылысы мен турленуi зерттелетiн бөлiмi ядролық физика деп аталады.

Радиоактивтіліктің ашылуы

Атомдардың тұрақты еместiгi ХIХ ғасырдың ақырында ашылғанды. 46 жыл өткен соң ядролык реактор жасалды. Бiз атом ядросы физикасының тарихи ретпен жедел дамып келе жатқанын көрiп отырамыз.

Радиоктивтілік — атом ядросының күрделi құрлысын дәлелдейтiн құбылыстың ашылуы сәттi кездейсоқтықтың жемiсi болды. Өздерің бiлетiндей, рентген сәулелерi алғаш рет шапшаң электрондар разрядтық түтiктiң шыны ыдысының кабырғаларының соқтығысуынан алынған-ды. Олармен бiр мезгiлде түтiк қабырғаларының жарық шығаруы байкалған. Беккерель ұзақ уақыт осы тектес құбылысты алдын ала күн жарығына сәулелендiрiлген заттардың соңынан сәуле шығаруын зерттеумен шұғылданған.

Изотоптар

құбылысының зерттелуі атом ядроларының табиғатына қатысты маңызды жаңалықтардың ашылуына себепшi болды.

Көптеген радиоактивтiк қасиеттері мүлдем әр түрлi (яғни түрлiше тәсiлдермен ыдырайтын), бiрақ өздерiнiң химиялық қасиеттерi жөнiнен барабар заттар бар екенi анықталды. Белгiлi химиялық тәсiлдердiң бәрiмен де оларды ажырату ешбiр мүмкiн болмады. Осының негiзiнде 1911 ж. Содди химиялық қасиеттерi бiрдей, басқа жағынан, мәселен өзiнiң радиоактивтiлігімен ұқсамайтын элементтер бар екенi жөнiнде болжам айтты. Мұндай элементтердi Менделеевтiң периодтық жүйесiнiң бiр тор көзiне орналастыру керек. Сондықтан оларды изотоптар (яғни периодтық жүйеде бiрдей орын алатындар) деп атады.

Ядролық реактор

Ядролық (немесе атомдык) деп ядролардың басқарылатын бөлiну реакциясын жүзеге асыратын құрылғыны айтады.

Уранның ядросы, әсiресе 255/92 U изотоптың ядросы баяу нейтрондарды анағұрлым тиiмдiрек қармап алады. Соңынан ядро бөлiнуi болатын баяу нейтрондарды қармап алу ықтималдығы, шапшаң нейтрондарға карағанда, жүздеген есе артық. Сондықтан табиғи урандармен жұмыс iстейтiн ядролық реакторларда нейтрондардың көбею коэффициентiн жоғарылату үшiн нейтрон баяулатқышы пайдаланылады. Ядролық реактордағы процестер схема түрiнде суретте кескiнделген.

Термоядролық реакциялар

Термоядролық реакция, термоядролық синтез - миллиондаған градус температурада жүзеге асатын ядролық бірігу реакциясы деп аталады.

Жеңіл элементтерді (сутек, гелий, литий, т. б.) жүздеген миллион градусқа дейін қыздырғанда, олардың бейтарап атомдары тұтастығын жойып, ядролар мен электрондарға ыдырайды.

Нәтижесінде оң зарядты ядролардан, теріс зарядты электрондардан тұратын ерекше орта - жоғарғы температуралық плазма пайда болады. Мұндай плазмада ядролар кулондық тебіліс бөгетін (барьерін) жеңе алатын кинетикалық энергияға ие болады:

${\displaystyle ~E_{k}={\tfrac {3}{2}}kT={\tfrac {1}{2}}mv^{2}}$

мұндағы k—Больцман тұрақтысы; Т—плазманың температурасы; m және v — бөлшектің массасы мен жылдамдығы.

Температурасы жүздеген миллион градус болатын ыстық плазмадағы ядролар аса үлкен жылдамдықпен бір-біріне жақындап, ядролық күштердің әрекет аймағына енеді. Сол сәтте-ақ тегеурінді ядролық күш оларды біріктіріп, жаңа ядроны түзеді. Бұл кезде пайда болған m масса ақауы есебінен аса мол энергия босап шығады.

Тағы қараңыз

• Квант
• Физика
• Квантометр
• Кванттық генератор
• Квантор
• Кванттық электроника

Дереккөздер

1. Қазақ энциклопедиясы