М. Файер. Абсолютный минимум. Как квантовая теория объясняет наш мир | 1 |
Предисловие | 1 |
1. Кот Шрёдингера | 1 |
Почему вишня красная, а черника синяя? Что подразумевается под понятием «размер»? Кажется, что ... | 1 |
Кот Шрёдингера | 2 |
Не так, как при бросании монеты | 2 |
Реальные явления могут вести себя подобно шрёдингеровским котам | 2 |
2. Размер абсолютен | 3 |
Фундаментальная природа размера имеет решающее значение для понимания различий между теми аспек... | 3 |
Размер в повседневной жизни | 3 |
Метод наблюдения имеет значение | 3 |
Большое или малое — это величина возмущений | 3 |
Причинность для больших объектов | 4 |
Возмущения, которыми нельзя пренебречь, — это важно | 4 |
Возмущение есть всегда | 5 |
Нельзя рассчитать будущее — только вероятности | 5 |
3. Кое-что о волнах | 5 |
Для того чтобы разобраться в природе неустранимых возмущений, которые сопутствуют измерению, и ... | 5 |
Что такое волны? | 6 |
Волны характеризуются скоростью и частотой | 6 |
Океанские волны | 6 |
Звуковые волны | 6 |
Классические световые волны | 6 |
Видимый свет | 7 |
Сложение волн — интерференция | 7 |
Интерференционные картины и оптический интерферометр | 8 |
4. Фотоэлектрический эффект и объяснение Эйнштейна | 9 |
В конце XIX века классическая электромагнитная теория была одним из величайших триумфов классич... | 9 |
Фотоэлектрический эффект | 9 |
Волновая модель не работает | 9 |
Эйнштейн даёт объяснение | 10 |
Красный свет выбивает более медленные электроны, чем голубой | 10 |
Очень красный свет не выбивает электронов | 11 |
С какой скоростью вылетает электрон | 11 |
5. Свет: волны или частицы? | 11 |
Объяснение фотоэлектрического эффекта, которое обсуждалось в главе 4, требует нового теоретичес... | 11 |
Классическое описание интерференции не годится для фотонов | 11 |
Новое описание фотонов в интерферометре | 12 |
Фотон интерферирует сам с собой | 13 |
Фотон может находиться в двух местах сразу | 13 |
Наблюдение вызывает непренебрежимо малое возмущение, приводящее к изменению состояния | 13 |
Возвращаемся к котам Шрёдингера | 13 |
Возвращаемся к фотоэлектрическому эффекту | 14 |
6. Размеры фотона и принцип неопределённости Гейзенберга | 14 |
В главе 5 мы узнали, что фотон в интерферометре интерферирует сам с собой. Фотон в некотором см... | 14 |
Частицы имеют длину волны | 14 |
Как выглядит волновая функция свободной частицы | 14 |
Частица с хорошо определённым импульсом размазана по всему пространству | 15 |
Интерференция волн разной длины | 15 |
Принцип суперпозиции | 16 |
Собственные состояния | 16 |
Суперпозиция волн амплитуды вероятности импульсных собственных состояний | 16 |
Импульс свободной частицы в состоянии суперпозиции | 16 |
Импульс частицы в состоянии суперпозиции определён не вполне чётко | 17 |
Где находится частица, когда она пребывает в состоянии суперпозиции по импульсу? | 17 |
Волновые пакеты | 18 |
Разброс по импульсу и координате | 18 |
Принцип неопределённости Гейзенберга | 18 |
7. Фотоны, электроны и бейсбольные мячи | 19 |
И фотоны, и электроны, и бейсбольные мячи в равной мере описываются квантовой теорией, но для о... | 19 |
Волны или частицы? | 19 |
Дифракция света | 19 |
Дифракция света демонстрирует волновую природу фотонов | 20 |
Электроны в кинескопе ведут себя как снаряды | 20 |
При дифракции электроны ведут себя как волны | 21 |
Электроны и фотоны — это частицы и волны, а бейсбольные мячи — это лишь частицы | 22 |
8. Квантовый ракетбол и цвет фруктов | 22 |
В предыдущих главах были введены и объяснены фундаментальные понятия квантовой теории. Приведён... | 22 |
Частица в ящике — классический случай | 23 |
Частица в ящике — квантовый случай | 24 |
Значения энергии квантовой частицы в ящике | 24 |
Волновая функция должна иметь нулевое значение у стенок | 24 |
Узлы — это точки, где волновая функция проходит через ноль | 25 |
Значения энергии квантуются | 25 |
Дискретный набор энергетических уровней | 26 |
Связь результатов для частицы в ящике с реальными системами | 26 |
Молекулы поглощают свет определённых цветов | 26 |
Цвет фруктов | 27 |
9. Атом водорода: история | 27 |
В главе 8 мы обсудили задачу о частице в ящике. Мы представили себе электрон, запертый в очень ... | 27 |
Спектр солнечного черноте?льного излучения | 28 |
Тёмные линии в солнечном спектре | 28 |
Спектральные линии водорода | 28 |
Боровская теория атома водорода (не вполне совершенная) | 29 |
10. Атом водорода: квантовая теория | 30 |
В 1925 году Шрёдингер и Гейзенберг независимо друг от друга разработали квантовую теорию. Созда... | 30 |
Уравнение Шрёдингера | 30 |
Что уравнение Шрёдингера говорит нам о водороде | 30 |
Четыре квантовых числа | 31 |
Энергетические уровни атома водорода | 31 |
s-орбитали атома водорода | 32 |
Пространственное распределение s-орбиталей | 32 |
Функция радиального распределения | 33 |
Формы p-орбиталей | 34 |
Формы d-орбиталей | 34 |
11. Многоэлектронные атомы и Периодическая таблица элементов | 34 |
Свойства атомарной и молекулярной материи определяются квантовомеханическими особенностями атом... | 34 |
Водород — особый | 35 |
Формы орбиталей важны для атомов крупнее водорода | 35 |
Энергетические уровни многоэлектронного атома | 35 |
Три правила заполнения энергетических уровней электронами | 36 |
Атом водорода имеет ядро с зарядом +1 и единственный отрицательно заряженный электрон. Атом ге... | 36 |
Правило 1: принцип запрета Паули | 36 |
Правило 2: сначала наименьшая энергия, но без нарушения принципа Паули | 36 |
Правило 3 (правило Хунда): спины не спариваются, если это возможно без нарушения правил 1 и 2 | 36 |
Периодическая таблица элементов | 37 |
Итак, мы изложили правила расселения электронов по энергетическим уровням, изображённым на рис... | 37 |
Структура Периодической таблицы | 37 |
Конфигурации с замкнутыми оболочками | 38 |
Атомы стремятся образовывать конфигурации с замкнутыми оболочками | 38 |
Свойства атомов | 38 |
При движении сверху вниз по столбцам атомы становятся крупнее | 39 |
При движении слева направо по строкам атомы становятся меньше | 40 |
Первый ряд переходных металлов | 40 |
Более крупные атомы и лантаноиды с актиноидами | 40 |
Большинство элементов — металлы | 41 |
12. Молекула водорода и ковалентная связь | 41 |
Один из величайших триумфов в квантовой механике — это теоретическое объяснение ковалентной свя... | 41 |
Два атома водорода, находящихся далеко друг от друга | 41 |
Два атома водорода сближаются | 41 |
Приближение Борна-Оппенгеймера | 42 |
Длина химической связи — это расстояние, которое обеспечивает наименьшую энергию | 42 |
Образование связывающих молекулярных орбиталей | 42 |
Связывающие и разрыхляющие молекулярные орбитали | 43 |
Расселение электронов по молекулярным орбиталям | 43 |
Молекула водорода есть, а молекулы гелия нет | 44 |
13. Что удерживает атомы вместе: двухатомные молекулы | 45 |
Молекула водорода является двухатомной, то есть состоит лишь из двух атомов. В процессе изучени... | 45 |
Сигма-связи (?) и пи-связи (?) | 45 |
Сигма-орбитали молекул | 45 |
Молекулярные пи-орбитали | 46 |
Связи в двухатомных молекулах: молекула фтора | 46 |
Молекулы неона не существует | 47 |
Молекула кислорода: правило Хунда имеет значение | 47 |
Молекула азота | 48 |
Одиночные, двойные и тройные связи | 48 |
Гетеронуклеарные двухатомные молекулы | 49 |
Визуальные модели молекул | 50 |
14. Более крупные молекулы: формы многоатомных молекул | 50 |
Окружающий нас мир состоит из многоатомных молекул. Так называют молекулы, состоящие из более ч... | 50 |
Формы молекул: тетраэдрический метан | 50 |
Форма определяется минимизацией отталкивания между связями | 51 |
Неподелённые пары тоже имеют значение | 51 |
Молекулы треугольной формы | 51 |
Переходящие электроны | 52 |
Гибридные атомные орбитали: линейные молекулы | 52 |
Гибридные атомные орбитали: треугольные молекулы | 53 |
Гибридные атомные орбитали: тетраэдрические молекулы | 53 |
Углеводороды с одиночной связью | 54 |
Большие углеводороды имеют множество структур | 54 |
Двойные и тройные углерод-углеродные связи | 55 |
Двойная углерод-углеродная связь — этилен | 55 |
Тройная углерод-углеродная связь — ацетилен | 56 |
15. Пиво и мыло | 56 |
В этой главе мы рассмотрим несколько типов молекул, чтобы увидеть, как различия в их природе вл... | 56 |
Спирты | 56 |
Этанол — это этан (см. рис. 14.10), в котором один из атомов водорода заменён OH-группой, назы... | 56 |
При комнатной температуре этанол жидкий, а не газообразный | 56 |
Вода образует водородные связи | 57 |
Вода — великий растворитель | 58 |
Этанол участвует в химических реакциях с кислородом | 58 |
Метанол крайне ядовит | 58 |
Мыло | 59 |
Как мы выяснили, этанол и органические кислоты вроде уксусной кислоты очень хорошо растворяютс... | 59 |
Крупные углеводороды — это масло и жир | 59 |
Крупные углеводороды могут иметь много разных структур | 59 |
Нефтепродукты и вода не смешиваются | 59 |
Строение молекул мыла | 59 |
В воде мыло образует мицеллы | 60 |
Мыло растворяет жирные загрязнения | 60 |
16. В жирах важны двойные связи | 60 |
В этой главе мы, опираясь на развитые ранее идеи, поговорим о некоторых крупных молекулах, част... | 60 |
Из чего состоят жировые молекулы? | 60 |
Насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты | 61 |
Формы жировых молекул | 61 |
Насыщенные, мононенасыщенные и полиненасыщенные жирные кислоты | 61 |
Важность двойных связей в жирных кислотах | 61 |
Химически модифицированные жирные кислоты | 62 |
Частично гидрогенизированные и гидрогенизированные жиры | 62 |
Гидрогенизация жиров | 62 |
Читайте этикетки | 62 |
Транс-жиры | 62 |
Природа производит цис-жиры, а химическая обработка — транс-жиры | 63 |
Транс-жиры могут быть опасны | 63 |
Когда ноль — это ноль | 63 |
Омега?3 жирные кислоты | 64 |
Триглицериды | 64 |
Холестерин | 64 |
Вопреки общему мнению, холестерин полезен | 64 |
Проблема с холестерином | 65 |
17. Парниковые газы | 65 |
В этой главе мы рассмотрим, что происходит, когда уголь, нефть или природный газ сжигают на эле... | 65 |
Углекислый газ, образующийся при сжигании ископаемого топлива | 65 |
Горение метана: природный газ | 65 |
Что такое парниковый газ? | 65 |
При сжигании ископаемого топлива выделяется углекислый газ | 66 |
Выделяемая энергия и количество углекислого газа | 66 |
Сжигание реального ископаемого топлива | 67 |
Реальное количество углекислого газа, выделяемого при производстве электричества | 67 |
Углекислый газ является парниковым в силу квантовых эффектов | 67 |
Черноте?льный спектр Земли | 67 |
Поглощение земного черноте?льного излучения | 67 |
Почему углекислый газ так важен? | 68 |
Почему углекислый газ поглощает именно в этой области? | 68 |
Колебательные моды углекислого газа | 68 |
Квантовые колебания обладают дискретными уровнями энергии | 68 |
Энергия квантовых колебаний | 69 |
Деформационная мода CO 2 поглощает на пике земного черноте?льного спектра | 69 |
Парниковый эффект CO 2 является кванотовомеханическим | 69 |
18. Ароматические молекулы | 69 |
В главах 13 и 14 говорилось о двойных связях, а в главе 16 мы узнали о том, что двойные связи и... | 69 |
Бензол: классический ароматический углеводород | 69 |
Где находятся двойные связи? | 70 |
Делокализация пи-связей | 70 |
Связывающие и разрыхляющие молекулярные орбитали | 70 |
Углерод-углеродная связь порядка 1,5 | 70 |
Бензольные делокализованные молекулярные пи-орбитали | 71 |
Поглощение света ароматическими соединениями | 71 |
Нафталин с позиций задачи о частице в ящике | 72 |
19. Металлы, изоляторы и полупроводники | 72 |
На рис. 19.1 схематически изображена батарея, присоединённая к металлическому стержню. В качест... | 72 |
Металлы | 72 |
Делокализация молекулярных орбиталей в металлах | 72 |
Кусок металла содержит огромное количество энергетических уровней МО, называемое зоной | 73 |
Расселение электронов | 73 |
Уровень Ферми | 73 |
Как электроны движутся сквозь металл | 73 |
Диэлектрики | 74 |
Диэлектрики не проводят ток вследствие заполненности зоны | 74 |
В диэлектриках широкая запрещённая зона | 74 |
Полупроводники | 74 |
В полупроводниках запрещённая зона небольшая | 74 |
Тепловая энергия влияет на электропроводность металлов | 75 |
Фононы — вибрации твёрдого тела | 75 |
Электронные и фононные волновые пакеты взаимно рассеиваются | 75 |
Электрон-фононное рассеяние приводит к нагреванию металла | 75 |
Сверхпроводимость | 76 |
20. Квантовое мышление | 76 |
Когда отец, держа младенца на руках, показывает на небо и говорит: «Это Луна», младенец, конечн... | 76 |
Опыт учит нас понимать классический мир | 76 |
Понимание того, что мы видим вокруг себя, требует некоторого знания квантовой механики | 77 |
Энергетические уровни и цвета связаны с волновой природой частиц | 77 |
Квантовые механизмы скрепляют атомы между собой и определяют форму молекул | 77 |
Углекислый газ является парниковым в силу квантовых эффектов | 78 |
Очень горячие объекты испускают видимое черноте?льное излучение | 78 |
Электрический нагрев — квантовое явление | 78 |
Абсолютно малое | 79 |
Глоссарий | 79 |
Абсолютный размер | 79 |
Ангстрем | 79 |
Анион | 79 |
Атомная орбиталь | 79 |
Атомный номер | 79 |
Вектор | 80 |
Возбуждённое состояние | 80 |
Волна амплитуды вероятности | 80 |
Волновая функция | 80 |
Волновой пакет | 80 |
Гибридные атомные орбитали | 80 |
Двойная связь | 80 |
Деструктивная интерференция | 80 |
Джоуль | 80 |
Длина волны де Бройля | 80 |
Длина волны | 80 |
Допущение Дирака | 80 |
Замкнутая конфигурация электронной оболочки | 80 |
Импульсное собственное состояние | 80 |
Инертные газы (благородные газы) | 80 |
Интерпретация Борна | 80 |
Интерференция волн | 80 |
Катион | 80 |
Квантованные энергетические уровни | 80 |
Квантовое число | 81 |
Кинетическая энергия | 81 |
Классическая механика | 81 |
Классические волны | 81 |
Ковалентная связь | 81 |
Коллапс волновой функции | 81 |
Конструктивная интерференция | 81 |
Кулоновское взаимодействие | 81 |
Молекулярная орбиталь | 81 |
Нанометр | 81 |
Неподелённая пара | 81 |
Одиночная связь | 81 |
Оптический переход | 81 |
Орбиталь | 81 |
Основное состояние | 81 |
Поглощение света | 81 |
Постоянная Планка | 81 |
Потенциальная яма | 81 |
Принцип запрета Паули | 81 |
Принцип неопределённости Гейзенберга | 81 |
Принцип суперпозиции | 82 |
Пространственное распределение вероятности | 82 |
Протон | 82 |
Размер абсолютный | 82 |
Размер относительный | 82 |
Световой квант | 82 |
Свободная частица | 82 |
Собственное состояние | 82 |
Спектроскопия | 82 |
Тройная связь | 82 |
Углеводороды | 82 |
Узел | 82 |
Уравнение Шрёдингера | 82 |
Фаза | 82 |
Формула Ридберга | 82 |
Фотон | 82 |
Фотоэлектрический эффект | 82 |
Функция радиального распределения | 82 |
Частица в ящике | 82 |
Частота | 82 |
Черноте?льное излучение (излучение абсолютно чёрного тела) | 82 |
Электромагнитная волна | 82 |
Электрон | 83 |
Энергетические уровни | 83 |
Комментарии | 83 |
1 | 83 |
2 | 83 |
3 | 83 |
4 | 83 |
5 | 83 |
6 | 83 |
7 | 83 |
8 | 83 |
9 | 83 |
10 | 83 |
11 | 83 |
12 | 83 |
13 | 83 |
14 | 83 |
15 | 83 |
16 | 83 |
17 | 83 |
18 | 83 |
19 | 83 |
20 | 83 |
21 | 83 |
22 | 83 |
23 | 83 |
24 | 83 |
25 | 83 |
26 | 83 |
27 | 83 |
28 | 83 |
29 | 83 |
30 | 83 |
31 | 83 |
32 | 84 |
33 | 84 |
34 | 84 |
35 | 84 |
36 | 84 |
37 | 84 |
38 | 84 |
Физика — это сложнейшая, комплексная наука, она насколько сложна, настолько и увлекательна. Если отбросить математическую составляющую, физика сразу становится доступной любому человеку, обладающему любопытством и воображением. Мы легко поймём концепцию теории гравитации, обойдясь без сложных математических уравнений. Поэтому всем, кто задумывается о том, что делает ягоды черники синими, а клубники — красными; кто сомневается, что звук распространяется в виде волн; кто интересуется, почему поведение света так отличается от любого другого явления во Вселенной, нужно понять, что всё дело — в квантовой физике. Эта книга представляет (и демистифицирует) для обычных людей волшебный мир квантовой науки, как ни одна другая книга. Она рассказывает о базовых научных понятиях, от световых частиц до состояний материи и причинах негативного влияния парниковых газов, раскрывая каждую тему без использования специфической научной терминологии — примерами из обычной повседневной жизни. Безусловно, книга по квантовой физике не может обойтись без минимального набора формул и уравнений, но это необходимый минимум, понятный большинству читателей. По мнению автора, книга, популяризирующая науку, должна быть доступной, но не опускаться до уровня читателя, а поднимать и развивать его интеллект и общий культурный уровень. Написанная в лучших традициях Стивена Хокинга и Льюиса Томаса, книга популяризирует увлекательные открытия из области квантовой физики и химии, сочетая представления и суждения современных учёных с яркими и наглядными примерами из повседневной жизни.