Абсолютный минимум. Как квантовая теория объясняет наш мир - Майкл Файер

Мы решили квантовую задачу о частице в ящике и обнаружили, что энергетические уровни зависят от размера ящика. В большом ящике (в крупной молекуле) энергетические уровни разделены меньшими интервалами, чем в маленьком. Результат, применимый к реальным молекулам, а не только к частице в ящике, состоит в том, что крупные молекулы тяготеют к поглощению света в красной части спектра. Красный свет обладает более низкой энергией, а для крупных молекул характерны относительно небольшие интервалы между энергетическими уровнями. Молекулы поменьше поглощают свет в голубой части спектра, поскольку различие в энергии между молекулярными уровнями у них больше, а голубой свет обладает большей энергией, чем красный. Самые маленькие молекулы, такие как бензол (см. главу 18), поглощают в ультрафиолетовой части спектра. Поэтому они не вызывают поглощения видимого света. Кристаллы из маленьких молекул, таких как нафталин (применяемый против моли), выглядят белыми потому, что они совершенно не поглощают видимый свет. Их энергетические уровни разнесены слишком сильно, и весь видимый свет отражается от таких кристаллов, отчего они выглядят белыми. По той же причине кристаллы соли в солонке белого цвета, и белый цвет кристаллов сахара тоже связан с этим. И соль, и сахар имеют большие интервалы между энергетическими уровнями и поглощают свет в ультрафиолетовом диапазоне, а цвета видимого света отражают.

Квантовые механизмы скрепляют атомы между собой и определяют форму молекул

Мы знаем, что удерживает атомы в молекулах, что придаёт молекулам их форму и почему форма молекул так важна. Мы видели, что электронные волны атомов объединяются и порождают молекулярные орбитали. Совместное использование электронов атомами на молекулярных орбиталях может приводить к образованию химических связей, которые скрепляют атомы в молекулах. В главах 12–14 мы довольно подробно рассматривали молекулярные орбитали. Выяснилось, что они бывают двух типов: связывающие и разрыхляющие. Размещая электроны надлежащим образом на простой диаграмме энергетических уровней молекулярных орбиталей, можно получить большое количество информации.

В молекуле водорода (см. главу 12) два электрона от двух атомов водорода занимают молекулярную орбиталь с наименьшей энергией, которая является связывающей МО. В результате образуется ковалентная связь, в рамках которой атомы совместно используют пару электронов. Но те же соображения позволяют нам понять, почему не существует двухатомной молекулы гелия. Каждый атом гелия вносит в гипотетическую двухатомную молекулу по два электрона. Первые два из них занимают связывающую МО, но в силу принципа запрета Паули другие два электрона должны занять разрыхляющую МО. В совокупности это приводит к отсутствию связи, и молекулы He2 не существует. Ковалентная химическая связь — это сугубо квантовое явление, не имеющее объяснения в классической механике.

Для атомов крупнее водорода объединение различных s и p атомных орбиталей порождает гибридные орбитали разной формы. Объединение разнообразных гибридных атомных орбиталей в молекулярные орбитали ответственно за тип образующихся связей (одиночных, двойных, тройных) и форму молекул. Мы уделили особое внимание органическим молекулам, то есть молекулам, состоящим в основном из углерода, водорода, кислорода и нескольких других элементов. Органические молекулы важны, поскольку они составляют основу жизни, а также ряда материалов, таких как пластмассы. Выяснилось, что в них очень большое значение имеют типы связей. Молекула легко может вращаться вокруг одиночной углерод-углеродной связи, меняя свою форму, но вращаться вокруг двойной углерод-углеродной связи она не может. Неспособность органических молекул вращаться вокруг двойных углерод-углеродных связей играет ключевую роль в биологии.

В главе 16 мы сконцентрировались на жирных кислотах и жирах. Здесь двойные связи определяют важнейшие различия. Жирные кислоты с двойными связями не могут менять свою форму вблизи этих связей. Полиненасыщенные жирные кислоты имеют множество двойных связей. У всех встречающихся в природе жирных кислот, за исключением некоторых, вырабатываемых жвачными животными, двойные связи находятся в цис-конформации. Это означает, что молекулы жирных кислот изогнуты вблизи двойных связей. Однако химическая обработка полиненасыщенных жиров, направленная на получение мононенасыщенных жиров, приводит к образованию двойных связей в транс-конформации. Жиры с такими связями называются транс-жирами. Молекулы транс-жиров имеют вблизи двойных связей прямую, а не изогнутую форму. Это различие в форме, которое вызвано квантовомеханическими свойствами ковалентной двойной связи, имеет большое значение для биологической активности этих молекул. Транс-жиры оказывают многочисленные вредные воздействия на здоровье человека.

Формы биологических молекул, таких как белки, играют центральную роль в биологии. Формы молекул определяются квантовомеханическим взаимодействием между атомами, что приводит к образованию различных типов молекулярных орбиталей и связей. Таким образом, процессы жизнедеятельности управляются квантовой механикой.

Углекислый газ является парниковым в силу квантовых эффектов

Мы выяснили, что вызываемый углекислым газом парниковый эффект, который приводит к глобальному потеплению климата, является по природе своей квантовомеханическим. Углекислый газ — это квинтэссенция квантовых эффектов, которые придают ему опасные парниковые свойства. Горячие предметы испускают излучение, которое называется черноте́льным. Цвета этого излучения нельзя объяснить в рамках классической теории. На самом деле выводы классической теории оказались настолько ошибочными, что их назвали «ультрафиолетовой катастрофой», поскольку теория предсказывала, что любой горячий объект должен испускать бесконечное количество энергии в ультрафиолетовой части спектра. Ясно, что никакие объекты не испускают бесконечного количества энергии, так что это был ошеломительный провал классической теории.

В 1900 году Планк впервые использовал идею квантования энергетических уровней электронов в веществе, чтобы объяснить черноте́льное излучение. Он вывел формулу для распределения цветов излучения, испускаемого горячим объектом, которая практически идеально совпала с экспериментальными данными. Чем горячее объект, тем больше он испускает высокоэнергетических фотонов. Однако квантовая теория Планка показала, что количество энергии не бесконечно, и позволила в точности вычислить, сколько испускается излучения каждого цвета. Звёзды очень горячие, поэтому они испускают свет в видимом и ультрафиолетовом участках спектра. В качестве примера на рис. 9.1 показан черноте́льный спектр нашего Солнца. Это обычная звезда средней температуры, и поэтому она выглядит желтоватой. Очень горячие звёзды — голубые, а звёзды, которые холоднее Солнца, — красные.

Наша Земля тоже испускает черноте́льное излучение, но, поскольку в сравнении со звездой она очень холодная, глазом её излучение не увидеть. Спектр черноте́льного излучения Земли изображён на рис. 17.1. Это инфракрасное излучение, то есть оно лежит в длинноволновой (низкоэнергетической) части спектра. Без атмосферы всё черноте́льное излучение, испускаемое Землёй, уходило бы в космос и наш мир был бы намного холоднее — возможно, возможно он был бы слишком холодным для существования человека. Однако атмосфера поглощает часть черноте́льного излучения, захватывая тепло в ловушку, и это согревает Землю. Большая часть этого тепла улавливается благодаря водяному пару, у молекул которого переходы между квантованными вращательными энергетическими уровнями соответствуют очень далёкой инфракрасной области (длинным волнам и низкой энергии).

Ранее мы не упоминали о квантовании вращения, и здесь в игру должна вступить ваша квантовая интуиция. Мы говорили о квантованных электронных энергетических уровнях и квантованных колебательных энергетических уровнях. Классические объекты могут вращаться, как, например, волчок. В классической механике энергия, связанная с вращением, является непрерывной величиной. Закрутите волчок чуть быстрее, и его энергия немного возрастёт. Не должно удивлять, что молекулы в газовой фазе, например молекулы водяного пара в воздухе, могут вращаться, а поскольку они являются абсолютно малыми, их вращательная энергия квантуется. Она может меняться только дискретными шагами. Молекула воды может вращаться с одной скоростью, а затем совершить переход к другой скорости, но она не может вращаться с промежуточными скоростями. Представьте, что это означало бы в применении к большим классическим системам. Вот, например, вы едете на велосипеде. Вы нажимаете педали с одной скоростью, но поехать чуть быстрее вы не можете. Надо сразу совершить дискретный скачок к следующему квантовому вращательному энергетическому уровню. Конечно, с абсолютно большими объектами, энергия которых изменяется непрерывно, такого не происходит.