Абсолютный минимум - читать бесплатно онлайн полную версию книги автора Майкл Файер (Глоссарий) #22

Глоссарий

Абсолютный размер

Объект велик или мал не по сравнению с другим объектом, но по сравнению с неустранимым минимальным возмущением, которое сопровождает любое измерение. Если это возмущение пренебрежимо мало́, объект является больши́м в абсолютном смысле. Если неустранимое минимальное возмущение не является пренебрежимо малым, то объект абсолютно мал.

Ангстрем

Единица длины, равная 10⁻¹⁰ м (одна десятимиллиардная метра). Ангстрем обозначается символом Å.

Анион

Атом или молекула с отрицательным зарядом, например Cl⁻ (анион хлора). Анион образуется при добавлении одного или нескольких отрицательно заряженных электронов к нейтральному атому или молекуле.

Атомная орбиталь

Название волновой функции (волны амплитуды вероятности), которая описывает распределение вероятности электрона вокруг атомного ядра.

Атомный номер

Число протонов (положительно заряженных частиц) в атомном ядре. Нейтральный атом (не ион) имеет такое же число электронов (отрицательно заряженных частиц), как и протонов.

Вектор

Направленный отрезок, обычно изображаемый в виде стрелки. Вектор — это величина, которая характеризуется абсолютным значением и направлением. Если говорится, что автомобиль движется со скоростью 60 километров в час, то скорость не является вектором. Если говорится, что автомобиль движется со скоростью 60 километров в час на север, то скорость является вектором, поскольку характеризуется значением (60 километров в час) и направлением (на север).

Возбуждённое состояние

Состояние атома или молекулы, которое обладает более высокой, чем минимальная, энергией. Возбуждённое состояние возникает, когда атом или молекула, начиная с состояния наименьшей энергии, поглощает фотон подходящей частоты, чтобы перевести систему на энергетический уровень выше самого низкого, называемого основным состоянием. Возбуждённые состояния могут также порождаться теплом или другими механизмами, передающими энергию атому или молекуле.

Волна амплитуды вероятности

Квантовомеханическая волна (волновая функция), описывающая вероятность обнаружения частицы в определённой области пространства. Волна амплитуды вероятности может принимать положительные и отрицательные значения. Вероятность обнаружить частицу в некоторой области пространства определяется квадратом (строго говоря, квадратом абсолютной величины) волны амплитуды вероятности. Чем больше это значение в некоторой области пространства, тем выше вероятность того, что частица будет там обнаружена.

Волновая функция

Решение уравнения Шрёдингера для конкретного состояния системы, например атома или молекулы. Волновая функция — это волна амплитуды вероятности. Она даёт информацию о возможности обнаружить частицу в конкретной области пространства. Например, волновая функция атома водорода даёт вероятность обнаружения электрона на различных расстояниях и в различных направлениях от ядра.

Волновой пакет

Суперпозиция волн, которые, объединяясь, дают частицу, более или менее локализованную в некоторой области пространства. Суперпозиция волн имеет области конструктивной и деструктивной интерференции. Вероятность обнаружить частицу велика там, где интерференция конструктивна. Суперпозиция волн более или менее локализует частицу в некоторой области пространства. Эта локализация не может быть идеальной в силу принципа неопределённости Гейзенберга.

Гибридные атомные орбитали

Комбинации (суперпозиции) атомных орбиталей, которые порождают новые атомные орбитали другой формы. Гибридные атомные орбитали важны при образовании химических связей. Гибридные атомные орбитали образуются для соединения атомов в молекулы с наименьшей энергией (наиболее стабильные молекулы). Формы молекул определяются формой гибридных орбиталей.

Двойная связь

Химическая связь, в которой две пары электронов совместно используются двумя атомами. Двойная связь сильнее и короче, чем одиночная связь.

Деструктивная интерференция

Волны объединяются (складываются друг с другом) таким образом, что общая амплитуда новой волны убывает. Для волн разной длины деструктивная интерференция происходит только в некоторых областях пространства. Волна может быть большой в некоторых областях за счёт конструктивной интерференции и сходить на нет в остальных местах из-за деструктивной интерференции.

Джоуль

Единица энергии: 1 джоуль (Дж) — это произведение метра на килограмм в квадрате, делённое на секунду в квадрате (Дж=м∙кг²/сек²).

Длина волны де Бройля

Длина волны, ассоциированная с частицей, имеющей массу. Для любой частицы существует длина волны де Бройля. Для больших частиц, таких как бейсбольный мяч, дебройлевская длина волны настолько мала, что ею можно пренебречь. Столь большие частицы никогда не ведут себя как волны. Для малых частиц (электронов и т. п.) длина волны сравнима с их размерами, и поэтому малые частицы могут проявлять волноподобные свойства.

Длина волны

Расстояние, на котором волна повторяется, то есть расстояние от одного пика волны до другого.

Допущение Дирака

Минимальное возмущение сопровождает любое измерение. Это возмущение не является следствием экспериментального метода, но присуще самой природе. Никакое усовершенствование техники не сможет его устранить. Если это минимальное возмущение пренебрежимо мало, то частица является большой в абсолютном смысле. Если оно не является пренебрежимо малым, то частица абсолютно мала. Допущение Дирака было подтверждено многочисленными экспериментами и является ключевой идеей для квантовой теории.

Замкнутая конфигурация электронной оболочки

Для атома имеется определённое число электронов, связанных с ядром, которое соответствует одному из благородных газов, занимающих самую правую колонку в Периодической таблице. Замкнутая конфигурация электронной оболочки чрезвычайно устойчива. Благородные газы называют также инертными, поскольку, имея замкнутую конфигурацию оболочки, химически они практически инертны. Атом может обрести замкнутую конфигурацию оболочки, присоединив или отдав электроны и превратившись в ион либо путём совместного использования электронов с другим атомом в рамках ковалентной связи.

Импульсное собственное состояние

Состояние частицы с точно определённым импульсом. Импульсному собственному состоянию свободной частицы, такой как фотон или электрон, соответствует волновая функция, делокализованная по всему пространству. Импульс может быть точно известен при условии, что положение является совершенно неопределённым. Импульсные собственные состояния могут входить в суперпозицию (складываться друг с другом), образуя волновые пакеты, которые имеют более или менее хорошо определённое положение.

Инертные газы (благородные газы)

Атомы, такие как гелий, неон, аргон и т. п., которые обладают замкнутой конфигурацией электронной оболочки. Они занимают правый столбец в Периодической таблице элементов. Благодаря замкнутой конфигурации оболочки они химически почти полностью инертны. Они не создают связей с другими атомами для образования молекул.

Интерпретация Борна

Описание квантовомеханических волновых функций как волн амплитуды вероятности. Интерпретация Борна, также называемая копенгагенской интерпретацией, утверждает, что квантовомеханические волновые функции, получаемые при решении уравнения Шрёдингера, описывают вероятность обнаружения частицы в определённой области пространства.

Интерференция волн

Объединение двух или большего числа волн, порождающее новую волну. В некоторых областях пространства волны могут интерферировать конструктивно, что приводит к увеличению амплитуды волны, а в других областях пространства они могут интерферировать деструктивно, что приводит к уменьшению амплитуды или обращению её в нуль.

Катион

Положительно заряженный атом или молекула, например Na⁺ (катион натрия). Катион — это ион, образующийся при отрыве одного или нескольких отрицательно заряженных электронов от нейтрального атома или молекулы.

Квантованные энергетические уровни

Энергетические уровни, образующие дискретные ступени, когда энергия не может изменяться непрерывным образом. Атомы и молекулы имеют квантованные энергетические уровни.

Квантовое число

Число, определяющее состояние квантовомеханической системы. Для полного описания состояния системы может потребоваться более одного квантового числа. В атоме каждый электрон имеет четыре квантовых числа: n, l, m и s, которые могут принимать лишь определённые значения. Квантовые числа возникают из математического описания квантовомеханических систем.

Кинетическая энергия

Энергия, связанная с движением. Движущаяся частица обладает кинетической энергией, равной половине произведения её массы на квадрат её скорости: E_k=½m∙V².

Классическая механика

Теория вещества и света, разработанная до появления квантовой механики. Рассматривает размер как относительную величину и не может описывать абсолютно малые частицы (электроны, фотоны и т. п.). Это мощная теория, которая безупречно работает при описании больших объектов — мостов, самолётов, траекторий ракет.

Классические волны

Волны, подобные волнам на воде или звуковым волнам, которые можно описывать с помощью классической механики. Электромагнитные волны, которые являются описанием света в классической механике, также относятся к категории классических волн. Классическое описание света как волн хорошо работает для радио и других типов волн, но не может корректно описать корпускулярную природу света (фотонов), ответственную за такие явления, как фотоэлектрический эффект.

Ковалентная связь

Химическая связь, которая удерживает атомы вместе за счёт того, что они совместно используют электроны.

Коллапс волновой функции

Состояние системы часто является суперпозицией волновых функций. Каждая волновая функция соотносится с определённым значением наблюдаемой величины, например энергии. Поскольку суперпозиция состоит из множества волновых функций, она ассоциирована с множеством значений наблюдаемой величины. Когда выполняется измерение, система переходит из состояния суперпозиции волновых функций к одной волновой функции с одним значением наблюдаемой величины (например, энергии). Об этом говорят, что измерение вызывает коллапс волновой функции из состояния суперпозиции в чистое состояние с одним значением наблюдаемой величины. Невозможно заранее сказать, в какое состояние сколлапсирует суперпозиция. Поэтому невозможно предсказать, какое значение измеряемой величины будет получено.

Конструктивная интерференция

Волны объединяются (складываются друг с другом) таким образом, что общая амплитуда новой волны возрастает. Для волн разной длины конструктивная интерференция происходит только в некоторых областях пространства. За счёт конструктивной интерференции волна может быть большой в одной области и сходить на нет в остальных местах.

Кулоновское взаимодействие

Взаимодействие между электрически заряженными частицами, которое убывает с увеличением расстояния. Взаимодействие уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Кулоновское взаимодействие заставляет противоположно заряженные частицы (такие, как электрон и протон) притягиваться друг к другу; одинаково заряженные частицы, наоборот, отталкиваются (два электрона или два протона).

Молекулярная орбиталь

Волновая функция для молекулы, составленная из комбинации атомных орбиталей (атомных волновых функций), которая распространяется на всю молекулу. Молекулярные орбитали (МО) могут быть связывающими (связывающие МО). Электроны, находящиеся на связывающих МО, уменьшают энергию молекулы. Молекулярные орбитали также могут быть разрыхляющими (разрыхляющие МО). Электроны, находящиеся на разрыхляющих МО, увеличивают энергию молекулы. Для получения устойчивой молекулы на связывающих МО должно быть больше электронов, чем на разрыхляющих МО.

Нанометр

Единица длины, равная одной миллиардной доле метра (10⁻⁹ м).

Неподелённая пара

Пара электронов в молекуле, которая занимает атомную орбиталь, но не участвует в образовании химической связи. Неподелённые пары электронов не используются атомами совместно.

Одиночная связь

Химическая связь, которая удерживает вместе два атома за счёт одной совместно используемой пары электронов.

Оптический переход

Изменение состояния с одного энергетического уровня на другой в атоме или молекуле, вызванное поглощением или излучением света.

Орбиталь

Другое название для квантовомеханической волновой функции, описывающей электрон или пару электронов в атоме или молекуле. Атом обладает атомными орбиталями, а молекула — молекулярными орбиталями.

Основное состояние

Самое низкое энергетическое состояние атома или молекулы. Возбуждённое состояние порождается, когда атом или молекула, находясь в основном состоянии, поглощает фотон с частотой, подходящей для перевода системы на энергетический уровень выше минимального, то есть основного, состояния. Возбуждённое состояние может порождаться теплом и другими механизмами передачи энергии атому или молекуле.

Поглощение света

Процесс, при котором количество света уменьшается, а энергия объекта увеличивается. Свет (фотоны, частицы света) определённой частоты (цвета) заставляет объект перейти в квантовое состояние с более высокой энергией. Это увеличение энергии объекта в точности совпадает с уменьшением энергии света. Поглощение света объектами обусловливает их цвет.

Постоянная Планка

Фундаментальная постоянная квантовой теории, обозначаемая буквой h. Она входит во многие математические уравнения, используемые в квантовой механике. Например, в соответствии с уравнением Е=h∙ν энергия равна произведению частоты (ν) и постоянной Планка. Значение постоянной Планка составляет: h=6,6∙10⁻³⁴ Дж∙сек. Планк ввёл эту постоянную в 1900 году в своём объяснении черноте́льного излучения.

Потенциальная яма

Область пространства, в которой энергия уменьшается вследствие какого-либо типа притягивающего взаимодействия. Яма в земле является гравитационной потенциальной ямой. Мяч падает на её дно, уменьшая свою гравитационную потенциальную энергию. Чтобы поднять мяч из ямы, необходимо затратить энергию. Электроны удерживаются атомами в кулоновской потенциальной яме, то есть за счёт электрического притяжения отрицательно заряженных электронов к положительно заряженным ядрам. Требуется затратить энергию, чтобы оторвать электрон от атома. Затратив достаточное количество энергии, можно поднять электрон из кулоновской потенциальный ямы, созданной притяжением положительно заряженного ядра.

Принцип запрета Паули

Принцип, согласно которому на одной атомной или молекулярной орбитали может находиться не более двух электронов. Если на одной орбитали находятся два электрона, то они должны иметь противоположные спины, то есть разные электронные квантовые чи́сла s (одно +½, а другое −½). Принцип запрета Паули важен при определении структуры Периодической таблицы элементов и свойств атомов и молекул.

Принцип неопределённости Гейзенберга

Нельзя одновременно точно знать импульс и положение частицы. Если импульс частицы известен точно, то её положение совершенно неопределённо, то есть не может быть никакой информации о её местоположении. Если же точно известно её положение, то не может быть никакой информации о величине импульса. В общем случае принцип Гейзенберга утверждает, что положение и импульс могут быть известны только с определённой степенью погрешности. Это неотъемлемое свойство природы, а не следствие измерительных ошибок.

Принцип суперпозиции

«Когда система находится в одном состоянии, её всегда можно рассматривать как находящуюся частично в каждом из двух или более других состояний».

В соответствии с этим квантовомеханическим принципом система в конкретном квантовом состоянии может быть описана как суперпозиция (сумма) двух или более других состояний. На практике это обычно означает, что конкретная волновая функция может быть выражена как сумма двух или более других волновых функций. Например, волновые функции для молекул можно образовать как суперпозицию атомных волновых функций. Фотонный волновой пакет можно образовать как суперпозицию импульсных собственных состояний.

Пространственное распределение вероятности

Характеризует вероятность обнаружить частицу, такую как электрон, в различных областях пространства. Пространственное распределение вероятности можно вычислить на основе квантовомеханической волновой функции частицы.

Протон

Субатомная частица, имеющая положительный заряд — одна из фундаментальных составляющих атомов и молекул. Положительный заряд протона равен по величине отрицательному заряду электрона. Атом содержит одинаковое число электронов и протонов, так что в целом он не имеет электрического заряда. Число протонов в атомном ядре, называемое атомным номером, определяет заряд ядра. Разные атомы (элементы) имеют разное число протонов в ядре.

Размер абсолютный

Объект велик или мал в абсолютном смысле в зависимости от того, является неустранимое минимальное возмущение, сопровождающее измерение, пренебрежимо малым или нет. Если минимальное возмущение пренебрежимо мало́, то объект является большим в абсолютном смысле. Если оно не является пренебрежимо малым, то объект абсолютно мал. Абсолютно малые объекты могут описываться квантовой механикой, но не классической механикой.

Размер относительный

Размер, определяемый сравнением одного объекта с другим. Объект может быть велик или мал относительно другого объекта. В классической механике предполагается, что размер является относительным. Классическая механика не может описывать объекты, которые малы в абсолютном смысле.

Световой квант

Отдельная частица света. Фотон.

Свободная частица

Частица, на которую не действуют никакие силы. Движение свободной частицы будет прямолинейным, поскольку отсутствуют силы, такие как гравитация или сопротивление воздуха, которые влияли бы на её траекторию.

Собственное состояние

Чистое состояние системы, ассоциированное с точно определённым значением наблюдаемой величины, которое называется собственным значением. Находясь в энергетическом собственном состоянии, система, такая, например, как атом водорода, обладает строго определённой энергией. Атом водорода имеет множество различных энергетических собственных состояний, которым соответствуют различные значения энергии (собственные значения энергии). Система в импульсном собственном состоянии имеет точно определённое значение импульса. Каждому собственному состоянию соответствует волновая функция. Собственные состояния — это фундаментальные состояния в квантовой теории.

Спектроскопия

Экспериментальное измерение количества света на разных длинах волн, поглощаемого или излучаемого системой атомов или молекул.

Тройная связь

Химическая связь, которая удерживает вместе два атома за счёт трёх совместно используемых пар электронов. Тройная связь короче и сильнее (требует больше усилий для разрыва), чем двойная или одиночная связь.

Углеводороды

Молекулы, состоящие только из углерода и водорода, такие как метан (природный газ) и компоненты нефти.

Узел

Для одномерной волны это точка, где амплитуда волны равна нулю. Для трёхмерной волны это плоскость или другая поверхность, где амплитуда волны равна нулю. При пересечении узла знак волновой функции меняется. В квантовой механике узел волновой функции, описывающей частицу, такую как электрон, — это место, где вероятность обнаружить частицу равна нулю.

Уравнение Шрёдингера

Фундаментальное уравнение квантовой теории. Решение уравнения Шрёдингера для атома или молекулы даёт квантованные энергетические уровни и волновые функции, описывающие амплитуду вероятности обнаружения электрона в разных точках пространства в атоме или молекуле.

Фаза

Положение в пределах одного цикла волны. Пик волны (точка максимальной положительной амплитуды) принимается за фазу 0 градусов (0°), ближайший следующий за ней узел (точка, где амплитуда равна нулю) — это 90°. Фаза 90° — это четверть цикла волны. Фаза 180° соответствует половине цикла. Это точка максимальной отрицательной амплитуды. О двух волнах одинаковой длины говорят, что они сдвинуты по фазе, если их пики не совпадают.

Формула Ридберга

Ранняя эмпирическая формула, описывающая цвета излучения, испускаемого и поглощаемого атомами водорода.

Фотон

Частица света.

Фотоэлектрический эффект

Объяснённый Эйнштейном эффект, при котором одиночная частица света — фотон — выбивает из куска металла один электрон. Эйнштейновское объяснение фотоэлектрического эффекта показало, что свет не является волной, как его описывает классическая электромагнитная теория.

Функция радиального распределения

Математическая функция, которая описывает вероятность обнаружения электрона на определённом расстоянии от ядра атома независимо от направления. Она получается из волновой функции электрона в атоме.

Частица в ящике

Квантовомеханическая задача, в которой частица, такая как электрон, заключена в одномерном ящике с бесконечно высокими непроницаемыми стенками. Энергетические уровни частицы в ящике квантуются, то есть для неё существуют дискретные энергетические уровни. Частица в ящике — это простейшая квантовомеханическая задача, в которой частица заключена в небольшой области пространства и имеет квантованные уровни энергии.

Частота

Число повторов регулярного события в единицу времени. Для волны частота — это число пиков волны, которые проходят мимо за определённое время. Для волн, движущихся с одинаковой скоростью, высокая частота соответствует коротким волнам, а низкая частота — длинным волнам. Длина волны — это расстояние между пиками волны. Для световых (электромагнитных) волн частота равна скорости света, делённой на длину волны.

Черноте́льное излучение (излучение абсолютно чёрного тела)

Свет, испускаемый горячим объектом. Цвет этого света зависит от температуры объекта. Черноте́льное излучение — это первое физическое явление, при описании которого Максом Планком в 1900 году были использованы идеи, которые впоследствии легли в основу квантовой механики.

Электромагнитная волна

Волна, состоящая из электрического и магнитного полей, которые колеблются с одинаковой частотой и распространяются со скоростью света. Электромагнитные волны — это описание света в классической механике. Классическая теория электромагнитных волн полезна в описании многих свойств света и радиоволн, но она не может описать многие явления, такие как фотоэлектрический эффект.

Электрон

Субатомная частица с отрицательным зарядом, одна из фундаментальных составляющих атомов и молекул. Отрицательный заряд электрона равен положительному заряду протона, но противоположен по знаку. Атом содержит одинаковое число электронов и протонов, так что в целом он не имеет электрического заряда. Добавление электрона к атому превращает его в анион с единичным отрицательным зарядом. Отдавая электрон, атом становится катионом с единичным положительным зарядом.

Энергетические уровни

В атомах, молекулах и других квантовых абсолютно малых системах энергия не является непрерывной величиной. Изменения энергии могут происходить только дискретными шагами. Каждое отдельное дискретное значение энергии называется энергетическим уровнем.