Онлайн книга
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.
Оглавление книги
- Предисловие
- 1. Кот Шрёдингера
- Кот Шрёдингера
- Не так, как при бросании монеты
- Реальные явления могут вести себя подобно шрёдингеровским котам
- 2. Размер абсолютен
- Размер в повседневной жизни
- Метод наблюдения имеет значение
- Большое или малое — это величина возмущений
- Причинность для больших объектов
- Возмущения, которыми нельзя пренебречь, — это важно
- Возмущение есть всегда
- Нельзя рассчитать будущее — только вероятности
- 3. Кое-что о волнах
- Что такое волны?
- Волны характеризуются скоростью и частотой
- Океанские волны
- Звуковые волны
- Классические световые волны
- Видимый свет
- Сложение волн — интерференция
- Интерференционные картины и оптический интерферометр
- 4. Фотоэлектрический эффект и объяснение Эйнштейна
- Фотоэлектрический эффект
- Волновая модель не работает
- Эйнштейн даёт объяснение
- Красный свет выбивает более медленные электроны, чем голубой
- Очень красный свет не выбивает электронов
- С какой скоростью вылетает электрон
- 5. Свет: волны или частицы?
- Классическое описание интерференции не годится для фотонов
- Новое описание фотонов в интерферометре
- Фотон интерферирует сам с собой
- Фотон может находиться в двух местах сразу
- Наблюдение вызывает непренебрежимо малое возмущение, приводящее к изменению состояния
- Возвращаемся к котам Шрёдингера
- Возвращаемся к фотоэлектрическому эффекту
- 6. Размеры фотона и принцип неопределённости Гейзенберга
- Частицы имеют длину волны
- Как выглядит волновая функция свободной частицы
- Частица с хорошо определённым импульсом размазана по всему пространству
- Интерференция волн разной длины
- Принцип суперпозиции
- Собственные состояния
- Суперпозиция волн амплитуды вероятности импульсных собственных состояний
- Импульс свободной частицы в состоянии суперпозиции
- Импульс частицы в состоянии суперпозиции определён не вполне чётко
- Где находится частица, когда она пребывает в состоянии суперпозиции по импульсу?
- Волновые пакеты
- Разброс по импульсу и координате
- Принцип неопределённости Гейзенберга
- 7. Фотоны, электроны и бейсбольные мячи
- Волны или частицы?
- Дифракция света
- Дифракция света демонстрирует волновую природу фотонов
- Электроны в кинескопе ведут себя как снаряды
- При дифракции электроны ведут себя как волны
- Электроны и фотоны — это частицы и волны, а бейсбольные мячи — это лишь частицы
- 8. Квантовый ракетбол и цвет фруктов
- Частица в ящике — классический случай
- Частица в ящике — квантовый случай
- Значения энергии квантовой частицы в ящике
- Волновая функция должна иметь нулевое значение у стенок
- Узлы — это точки, где волновая функция проходит через ноль
- Значения энергии квантуются
- Дискретный набор энергетических уровней
- Связь результатов для частицы в ящике с реальными системами
- Молекулы поглощают свет определённых цветов
- Цвет фруктов
- 9. Атом водорода: история
- Спектр солнечного черноте́льного излучения
- Тёмные линии в солнечном спектре
- Спектральные линии водорода
- Боровская теория атома водорода (не вполне совершенная)
- 10. Атом водорода: квантовая теория
- Уравнение Шрёдингера
- Что уравнение Шрёдингера говорит нам о водороде
- Четыре квантовых числа
- Энергетические уровни атома водорода
- s-орбитали атома водорода
- Пространственное распределение s-орбиталей
- Функция радиального распределения
- Формы p-орбиталей
- Формы d-орбиталей
- 11. Многоэлектронные атомы и Периодическая таблица элементов
- Водород — особый
- Формы орбиталей важны для атомов крупнее водорода
- Энергетические уровни многоэлектронного атома
- Три правила заполнения энергетических уровней электронами
- Правило 1: принцип запрета Паули
- Правило 2: сначала наименьшая энергия, но без нарушения принципа Паули
- Правило 3 (правило Хунда): спины не спариваются, если это возможно без нарушения правил 1 и 2
- Периодическая таблица элементов
- Структура Периодической таблицы
- Конфигурации с замкнутыми оболочками
- Атомы стремятся образовывать конфигурации с замкнутыми оболочками
- Свойства атомов
- При движении сверху вниз по столбцам атомы становятся крупнее
- При движении слева направо по строкам атомы становятся меньше
- Первый ряд переходных металлов
- Более крупные атомы и лантаноиды с актиноидами
- Большинство элементов — металлы
- 12. Молекула водорода и ковалентная связь
- Два атома водорода, находящихся далеко друг от друга
- Два атома водорода сближаются
- Приближение Борна-Оппенгеймера
- Длина химической связи — это расстояние, которое обеспечивает наименьшую энергию
- Образование связывающих молекулярных орбиталей
- Связывающие и разрыхляющие молекулярные орбитали
- Расселение электронов по молекулярным орбиталям
- Молекула водорода есть, а молекулы гелия нет
- 13. Что удерживает атомы вместе: двухатомные молекулы
- Сигма-связи (σ) и пи-связи (π)
- Сигма-орбитали молекул
- Молекулярные пи-орбитали
- Связи в двухатомных молекулах: молекула фтора
- Молекулы неона не существует
- Молекула кислорода: правило Хунда имеет значение
- Молекула азота
- Одиночные, двойные и тройные связи
- Гетеронуклеарные двухатомные молекулы
- Визуальные модели молекул
- 14. Более крупные молекулы: формы многоатомных молекул
- Формы молекул: тетраэдрический метан
- Форма определяется минимизацией отталкивания между связями
- Неподелённые пары тоже имеют значение
- Молекулы треугольной формы
- Переходящие электроны
- Гибридные атомные орбитали: линейные молекулы
- Гибридные атомные орбитали: треугольные молекулы
- Гибридные атомные орбитали: тетраэдрические молекулы
- Углеводороды с одиночной связью
- Большие углеводороды имеют множество структур
- Двойные и тройные углерод-углеродные связи
- Двойная углерод-углеродная связь — этилен
- Тройная углерод-углеродная связь — ацетилен
- 15. Пиво и мыло
- Спирты
- При комнатной температуре этанол жидкий, а не газообразный
- Вода образует водородные связи
- Вода — великий растворитель
- Этанол участвует в химических реакциях с кислородом
- Метанол крайне ядовит
- Мыло
- Крупные углеводороды — это масло и жир
- Крупные углеводороды могут иметь много разных структур
- Нефтепродукты и вода не смешиваются
- Строение молекул мыла
- В воде мыло образует мицеллы
- Мыло растворяет жирные загрязнения
- 16. В жирах важны двойные связи
- Из чего состоят жировые молекулы?
- Насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты
- Формы жировых молекул
- Насыщенные, мононенасыщенные и полиненасыщенные жирные кислоты
- Важность двойных связей в жирных кислотах
- Химически модифицированные жирные кислоты
- Частично гидрогенизированные и гидрогенизированные жиры
- Гидрогенизация жиров
- Читайте этикетки
- Транс-жиры
- Природа производит цис-жиры, а химическая обработка — транс-жиры
- Транс-жиры могут быть опасны
- Когда ноль — это ноль
- Омега−3 жирные кислоты
- Триглицериды
- Холестерин
- Вопреки общему мнению, холестерин полезен
- Проблема с холестерином
- 17. Парниковые газы
- Углекислый газ, образующийся при сжигании ископаемого топлива
- Горение метана: природный газ
- Что такое парниковый газ?
- При сжигании ископаемого топлива выделяется углекислый газ
- Выделяемая энергия и количество углекислого газа
- Сжигание реального ископаемого топлива
- Реальное количество углекислого газа, выделяемого при производстве электричества
- Углекислый газ является парниковым в силу квантовых эффектов
- Черноте́льный спектр Земли
- Поглощение земного черноте́льного излучения
- Почему углекислый газ так важен?
- Почему углекислый газ поглощает именно в этой области?
- Колебательные моды углекислого газа
- Квантовые колебания обладают дискретными уровнями энергии
- Энергия квантовых колебаний
- Деформационная мода CO2 поглощает на пике земного черноте́льного спектра
- Парниковый эффект CO2 является кванотовомеханическим
- 18. Ароматические молекулы
- Бензол: классический ароматический углеводород
- Где находятся двойные связи?
- Делокализация пи-связей
- Связывающие и разрыхляющие молекулярные орбитали
- Углерод-углеродная связь порядка 1,5
- Бензольные делокализованные молекулярные пи-орбитали
- Поглощение света ароматическими соединениями
- Нафталин с позиций задачи о частице в ящике
- 19. Металлы, изоляторы и полупроводники
- Металлы
- Делокализация молекулярных орбиталей в металлах
- Кусок металла содержит огромное количество энергетических уровней МО, называемое зоной
- Расселение электронов
- Уровень Ферми
- Как электроны движутся сквозь металл
- Диэлектрики
- Диэлектрики не проводят ток вследствие заполненности зоны
- В диэлектриках широкая запрещённая зона
- Полупроводники
- В полупроводниках запрещённая зона небольшая
- Тепловая энергия влияет на электропроводность металлов
- Фононы — вибрации твёрдого тела
- Электронные и фононные волновые пакеты взаимно рассеиваются
- Электрон-фононное рассеяние приводит к нагреванию металла
- Сверхпроводимость
- 20. Квантовое мышление
- Опыт учит нас понимать классический мир
- Понимание того, что мы видим вокруг себя, требует некоторого знания квантовой механики
- Энергетические уровни и цвета связаны с волновой природой частиц
- Квантовые механизмы скрепляют атомы между собой и определяют форму молекул
- Углекислый газ является парниковым в силу квантовых эффектов
- Очень горячие объекты испускают видимое черноте́льное излучение
- Электрический нагрев — квантовое явление
- Абсолютно малое
- Глоссарий
- Абсолютный размер
- Ангстрем
- Анион
- Атомная орбиталь
- Атомный номер
- Вектор
- Возбуждённое состояние
- Волна амплитуды вероятности
- Волновая функция
- Волновой пакет
- Гибридные атомные орбитали
- Двойная связь
- Деструктивная интерференция
- Джоуль
- Длина волны де Бройля
- Длина волны
- Допущение Дирака
- Замкнутая конфигурация электронной оболочки
- Импульсное собственное состояние
- Инертные газы (благородные газы)
- Интерпретация Борна
- Интерференция волн
- Катион
- Квантованные энергетические уровни
- Квантовое число
- Кинетическая энергия
- Классическая механика
- Классические волны
- Ковалентная связь
- Коллапс волновой функции
- Конструктивная интерференция
- Кулоновское взаимодействие
- Молекулярная орбиталь
- Нанометр
- Неподелённая пара
- Одиночная связь
- Оптический переход
- Орбиталь
- Основное состояние
- Поглощение света
- Постоянная Планка
- Потенциальная яма
- Принцип запрета Паули
- Принцип неопределённости Гейзенберга
- Принцип суперпозиции
- Пространственное распределение вероятности
- Протон
- Размер абсолютный
- Размер относительный
- Световой квант
- Свободная частица
- Собственное состояние
- Спектроскопия
- Тройная связь
- Углеводороды
- Узел
- Уравнение Шрёдингера
- Фаза
- Формула Ридберга
- Фотон
- Фотоэлектрический эффект
- Функция радиального распределения
- Частица в ящике
- Частота
- Черноте́льное излучение (излучение абсолютно чёрного тела)
- Электромагнитная волна
- Электрон
- Энергетические уровни