расщипление воды

По-видимому, в ближайшем будущем методы получения водорода с использованием углеродного сырья будут основными. Однако сырьевые и экологические ограничения процесса паровой конверсии метана стимулируют разработку процессов производства водорода из воды. Среди способов получения водорода из воды наибольший интерес в контексте атомно-водородной энергетики представляют электролиз, термохимические и термоэлектрохимические циклы.

Термохимические и термоэлектрохимические циклы. Как известно, для прямого термического разложения воды на водород и кислород требуется высокая температура на уровне 2500 oС. Однако воду можно термически разложить и при более низкой температуре, используя последовательность химических реакций, которые выполняют следующие функции: связывание воды, отщепление водорода и кислорода, регенерация реагентов. Термохимический процесс получения водорода с кпд до 50 % использует последовательность химических реакций (например, серно-кислотно-йодный процесс) и требует подвода тепла при температуре около 1000 oС. Источником тепла при термохимическом разложении воды служит высокотемпературный реактор. На отдельных стадиях процессов такого типа наряду с термическим воздействием для отщепления водорода может использоваться электричество (электролиз, плазма).

Изучено много комбинаций химических реакций, в которых вода расщепляется на водород и кислород в замкнутом цикле с поглощением тепла и электричества. Такой цикл может быть построен и на базе ПКМ. При паровой конверсии метана около половины водорода производится из воды. Довести в этом цикле долю водорода, получаемого расщеплением воды, до 100 %, можно путём электрохимического или плазменного восстановления метана из метанола с возвращением его в голову процесса. Выбор оптимального процесса разложения воды определяется рядом критериев, среди которых важнейшими являются следующие: эффективность цикла, термодинамические и кинетические характеристики отдельных реакций, доступность и стоимость реагентов, совместимость реагентов и конструкционных материалов, безопасность процесса, экологические соображения и, в конечном счёте, экономические показатели.

Электролитическое разложение воды (электролиз). Электролитический водород является наиболее доступным, но дорогим продуктом. Для разложения чистой воды при комнатных условиях требуется напряжение 1, 24 вольта. Величина напряжения зависит от температуры и давления, от свойств электролита и других элементов электролизера. В промышленных и опытно-промышленных установках реализован кпд электролизера ~70–80 %, в том числе для электролиза под давлением. Паровой электролиз – это разновидность обычного электролиза. Часть энергии, необходимой для расщепления воды, в этом случае вкладывается в виде высокотемпературного тепла в нагрев пара (до 900 oС), делая процесс более эффективным. Стыковка ВТГР с высокотемпературными электролизерами позволит получить суммарный кпд производства водорода из воды до 50 %.

Уравнение Шредингера и релятивистские поправки
В нерелятивистском приближении уровни энергии определяются уравнением Шредингера с кулоновским взаимодействием и приведенной массой , где M – масса ядра, а m - масса частицы на орбите (электрона или мюона и т. д.). Энергия уровня зависит лишь от одного параметра – значения главного квантового числа n. Это единственный одинаковый для всех атомов вклад. В атоме водорода (и других “обычных” атомах) масштаб нерелятивистских энергий определяется постоянной Ридберга и измерение частот переходов между уровнями энергии с разными значениями главного квантового числа n в водороде и дейтерии позволяет определить величину этой константы. Нерелятивистская структура уровней не имеет общепринятого названия, ее называют грубой структурой, главной структурой или ридберговской структурой уровней. Примером ридберговских переходов может служить 1s-2s в атоме водорода, один из наиболее точно измеренных.

В нерелятивистском приближении все уровни энергии оказываются вырожденными. Энергия связанного состояния зависит лишь от главного квантового числа n и не зависит от орбитального момента l (как его абсолютной величины, так и проекции), от спинов частицы на орбите s (электрона в случае обычных атомов) и ядра S. Ведущие релятивистские поправки имеют порядок и имеют разный вид для разных атомов.
Атом водорода и другие обычные атомы

* В случае электронных атомов (водорода, дейтерия, мюония, иона гелия и т.д.) доминирующим оказывается эффект взаимодействия спина электрона с его орбитальным моментом (тонкая структура). Это взаимодействие расщепляет уровни с разными значениями полного углового момента электрона j = l + s. Энергия зависит от его величины и не зависит от проекции момента. Момент сохраняется, если пренебречь эффектами, связанными со спином ядра. Уровни энергии также вырождены по величине орбитального момента l, если пренебречь эффектами квантовой электродинамики. Для частицы со спином 1/2 (электрона или мюона) все релятивистские поправки можно учесть точно, воспользовавшись уравнением Дирака с кулоновским взаимодействием.

* В позитронии, мюонных и антипротонных атомах эти эффекты не являются доминирующими. В мезоатомах и экзотических атомах на орбите могут оказаться бесспиновые частицы, например, пионы, и тонкая структура выражается в снятии вырождения по l, так как j=l. Релятивистские поправки для бесспиновых частиц также можно найти точно, используя уравнение Клейна-Гордона-Фока, однако, эти поправки также не являются доминирующими. В силу столь сильного различия, удобно рассмотреть вначале спектр “обычных” атомов.

* В водороде следующими по величине эффектами являются эффекты квантовой электродинамики (КЭД), которые приводят к поправкам, зависящим от n, j и l, расщепляя таким образом уровни с одинаковыми значениями j и разными - l, например, и . Этот сдвиг уровней (лэмбовский сдвиг) имеет порядок для s уровней, тогда как для остальных уровней логарифм отсутствует. Логарифмический вклад связан с так называемой собственной энергией электрона во внешнем поле. Квантовоэлектродинамические поправки также называются радиационными.

* Другой эффект в атоме водорода, который несколько уступает по величине лэмбовскому сдвигу, связан с взаимодействием спина электрона со спином ядра, что приводит к сверхтонкому расщеплению уровней с разным значением F = j + S. Это расщепление имеет порядок или и отсутствует в атомах с бесспиновым ядром.

* Уровни энергии в нерелятивистском приближении и большинство поправок к ним слабо зависят от массы ядра. Зависимость приведенной массы от массы ядра приводит к изотопическому сдвигу атомных уровней, то есть их зависимости от массы изотопа. В нерелятивистском приближении разность энергий уровней для разных изотопов имеет порядок , где - массы изотопов. Релятивистские и квантовоэлектродинамические поправки имеют одинаковый вид для разных изотопов и изотопический сдвиг содержит, как правило, фактор . Единственное исключение – сверхтонкая структура, спин ядра и его магнитный момент резко меняются при переходе от изотопа к изотопу.

Необычные атомы

* Наиболее похожими на электронные атомы являются, с точки зрения уравнений, атомы мюонные. Однако, простая замена массы электрона на массу мюона приводит к неправильному результату, хотя все перечисленные выше релятивистские, радиационные и сверхтонкие эффекты имеют место. Различие заключается в нерелятивистском квантовоэлектродинамическом вкладе, связанном с эффектами поляризации вакуума электронов. Возникающая в связи с этим поправка к кулоновскому потенциалу (потенциал Юлинга) приводит к расщеплению уровней с разными значениями углового момента l, а результат имеет порядок . В итоге, сдвиг, индуцированный потенциалом Юлинга, превосходит в легких атомах (то есть при достаточно малых значениях заряда ядра Z) тонкую структуру. Квантовоэлектродинамическое расщепление 2s-2p называется лэмбовским сдвигом, однако, его происхождение и влияние на спектр отлично от того, что имеет место в “обычном” водороде.

* В случае позитрония спектр также качественно отличается от водородного. Два эффекта оказываются ответственными за это.

o Во-первых, масса электрона равна массе ядра (позитрона). Это приводит к тому, что полный спин системы электрон-позитрон сохраняется. Состояния с полным спином единица называются ортопозитронием, а состояния со спином ноль – парапозитронием. Это приводит даже к другой классификации уровней: в отличие от водородных уровней уровни в позитронии характеризуются набором (орбитальный момент двухчастичной системы традиционно обозначается большой буквой L, тогда как для одного электрона используется l). Следствием равенства масс электрона и ядра является и то, что эффекты тонкой и сверхтонкой структуры оказываются одного порядка, как и поправки, связанные с движением ядра (эффекты отдачи).
o Существует еще один эффект, отличающий позитроний от водорода: аннигиляция электрон-позитронной пары. Наряду с реальной аннигиляцией имеет место и виртуальная. Первая определяет время жизни уровней 1s и 2s, тогда как вторая - ответственна за сдвиг, в частности, основного уровня ортопозитрония.
Все перечисленные здесь эффекты имеют порядок . Часто о структуре всех уровней с одним и тем же значением главного квантового числа говорят как о тонкой структуре в позитронии, однако термин тонкая структура имеет здесь смысл отличный от обычного.

Стабильность уровней и атомов

* Учет эффектов квантовой электродинамики приводит также к нестабильности большинства атомных уровней. За двумя исключениями вероятности распадов (ширины уровней) нестабильных состояний в водородоподобных атомах имеет масштаб . Эта величина определяется так называемым электрическим дипольным переходом (E1-переходом). Одним из исключений является (метастабильный) уровень 2s, который (в легких атомах) распадается посредством излучения двух фотонов (2E1-переход с вероятностью порядка ), другим – сверхтонкие компоненты основного уровня, которые распадаются за счет магнитных переходов (M1) и живут существенно дольше. С ростом заряда ядра Z в игру вступают переходы более высоких порядков (E2,M2 и т. д.).

* Указанные времена жизни отвечают свободным атомам, и соответствующие ширины называются “естественными”. В случае столкновений атомов друг с другом, со стенками или с буферным газом, а также при взаимодействии с внешним полем, время жизни может быть существенно короче. Метастабильные состояния с естественным временем жизни могут быть реализованы только в экспериментах с холодными атомами и при наличии ряда дополнительных условий. Часто требования, связанные с созданием искусственных атомов или с ионизацией “обычных” атомов, противоречат условиям естественной метастабильности.

* Нестабильность составляющих атом частиц (например, мюона или пиона), или их аннигиляция друг с другом также ограничивает время жизни атомных состояний. Так аннигиляция основного состояния в ортопозитронии имеет ширину порядка , тогда как в парапозитронии вероятность распада основного состояния существенно выше .

Атом водорода во внешнем поле

* Часть вырождений и, в частности, по проекции оператора момента (орбитального момента электрона l в нерелятивистском атоме, полного углового момента релятивистского электрона j в дираковском атоме и полного момента атома F в рамках реалистичного описания с учетом сверхтонкого взаимодействия) может быть снята только в присутствии внешнего поля. Задачи атом + поле имеют специальные названия: эффект Штарка (атом в электрическом поле) и эффект Зеемана (атом в магнитном поле).

* Различаются стационарные эффекты (постоянное поле) и динамические эффекты. Эффекты Штарка и Зеемана смешивают разные уровни и в случае “сильного” поля возникают состояния, существенно отличные от невозмущенных. В случае магнитного поля эффекты сильного смешивания также имеют специальное название: эффект Пашена-Бака.

* Какое поле является “сильным”? Это зависит от конкретной постановки задачи, посколько имеется иерархия возмущений для структуры уровней. Одно и то же поле может быть одновременно слабым и сильным, в зависимости от подхода. Необходимо сравнивать сдвиги уровней, вызванные полем, и расщепления, а иногда и ширины смешиваемых уровней. Так стандартное рассмотрение эффекта Штарка в водороде связывается с нерелятивистской теорией. Слабость поля при таком подходе означает, что сдвиги меньше характерного расстояния между уровнями грубой структуры, тогда как они предполагаются существенно больше, чем релятивистские эффекты и лэмбовский сдвиг.

* Характерной особенностью эффекта Штарка в водороде (при слабом поле) является его линейная зависимость от напряженности. Это неверно для очень маленькой напряженности, которая не может смешать уровни, расщепленные лэмбовским сдвигом или тонкой структурой. Если поле не может конкурированть с эффектами, снимающими вырождение, эффект Штарка квадратичен.

Книги по нумерологии, Математический 
гороскоп Ковалайф, нумерология, 
тайна чисел, секреты цифр, мысли древних, пророчества и современная наука на сайте kovalife.ru

 
 

Администрация сайта не несет ответственности за содержание сайта. Все материалы взяты из открытых источников в интернет.   

Пользовательског 086; поиска