WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 7 |

«Мария Рыбалкина НАНОТЕХНОЛОГИИ для всех Большое в малом Мария Рыбалкина Нанотехнологии для всех Н а н о т е х н о л о г и и д л я в с е х Большое в малом Б о л ь ш о е ...»

-- [ Страница 2 ] --

Эти и другие вопросы, стоящие сегодня перед исследовате лями, действительно очень актуальны и важны. В бешеной гон ке нанотехнологий ученые должны взять на себя всю полноту от ветственности за жизнь и здоровье других людей, чтобы не ока заться беззаботными фанатиками, совершившими “революцию” только лишь “во имя революции”, не утруждая себя размышле ниями о возможных трагических последствиях и катастрофах.

По всем этим причинам исследование наноэффектов но вых технологий будет требовать принципиально новых методов и междисциплинарного подхода.

Нано на стыке наук Если достижения ушедшего века позволяют говорить, что ХХ век был веком узкоспециализированных профессионалов, то се годня, поступая в то или иное учебное заведение, молодой человек не может быть абсолютно уверен, что профиль, на который он со бирается потратить 5 лет своей жизни, лет через 5 10 не окажется никому не нужным “старьем” в свете современных технологий.

“Так как же быть?”, спросите вы. Неужели традиционное профессиональное образование может обесцениться настоль ко, что станет не актуальным на рынке труда?

Конечно, нет, но на современном этапе профессионализма в какой то узкоспециализированной профессии будет явно не хва тать. Как вы, наверное, уже поняли, нанотехнологии это не прос то отдельная часть знаний, это масштабная, всесторонняя область исследований. Ее достижения касаются всех сфер жизнедеятель ности человека. И поэтому лидирующее положение в будущем, ес тественно, будут занимать люди, обладающие фундаментальным образованием, основанным на междисциплинарном подходе.

Вероятно, постепенно эта тенденция будет распространять ся и на вузовское образование, побуждая составителей учебных программ объединять множество фундаментальных дисциплин в одном курсе. Но зачем же ждать, когда это сделают академики из Минобразования, когда у нас сегодня есть все возможности самим развиваться в разных направлениях, включая не только естественнонаучный профиль, но и гуманитарный?

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ К сожалению, современная система нацелена на формиро вание узкоспециализированных "винтиков", а не самостоятель но мыслящих и гармонично развитых людей. Нередко можно встретить человека, прекрасно разбирающегося, например, в программировании, но при этом совершенно не знакомого с достижениями современной биологии, или наоборот. Поэтому, надеюсь, читатель простит меня за небольшой "ликбез" по раз личным направлениям современной науки и техники.

Ярким примером междисциплинарного мышления, дос тигшего выдающихся результатов в различных областях науки и искусства, являлся гений Леонардо да Винчи. Его нельзя назы вать только ученым, только художником, только архитектором или только инженером. Леонардо да Винчи своим примером показал возможность плодотворного сочетания различных зна ний и умений в одном человеке, что бы там ни утверждали адепты “узкоспециализированного подхода”.

Кстати, если говорить о связи нанотехнологий с фундамен тальными науками, то можно сказать, что практически любой предмет, из тех, что изучаются в школе, так или иначе будет связан с технологиями будущего.

Самой очевидной представляется связь “нано” с физикой, химией и биологией. По видимому, именно эти науки получат наибольший толчок к развитию в связи с приближающейся на нотехнической революцией.

Но не только. Без развития информационных систем (осо бенно таких областей информатики, как искусственный интел лект, компьютерное моделирование, робототехника и т.д.), фундаментальной базой которых является математический ап парат, невозможно проектирование и создание ассемблеров и других устройств наноэлектроники.

Эколог будущего также не останется без работы. Напротив, прогресс в сфере нанотехнологий, будет ставить перед ним все больше вопросов и задач: от автоматических наносистем охраны окружающей среды до сверхточного прогнозирования и борьбы с экологическим загрязнением и природными катаклизмами.

Бурное освоение космоса может дать совершенно новый материал для астрономических исследований и гипотез.

Историки и обществоведы будут изучать характерные черты и проблемы “нанотехнологического общества” как ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии следующего за “информационным” в цепочке общественно исторических формаций.

Основы безопасности жизнедеятельности, возможно, станут одним из актуальнейших направлений будущих исследований.

Психологи и социологи будут решать множество вопросов, связанных с адаптацией всех “неподготвленных” к неожидан ным последствиям нанореволюции.

Возросшие требования к образованию, потребность в но вых методах и концепциях обучения потребует от будущих учи телей новаторства и активности.

Перед философами, экономистами и политологами встанет множество новых вопросов, требующих нетрадиционных ре шений в условиях нанотехнического прогресса.

Музыка, изобразительное искусство, литература, балет, театр и все, что относится к выражению творческого потенциала чело века, всегда стояли несколько особняком от научно техническо го прогресса. С одной стороны, это говорит о том, что стремле ние человека к прекрасному, возвышенному извечно и что ни какие достижения научно технического прогресса не в силах уменьшить в глазах человека той ценности и притягательности, которой обладают такие нравственные категории, как доброта, красота, истина, благородство, честность, творчество, любовь.

С другой стороны, во все времена искусство пыталось отра зить современное состояние общества, не отставая от научно технического прогресса в своём индивидуальном поиске новых средств и форм выражения. Так, в Средние века отражение те ологической морали, господствовавшей во всех сферах общест венной жизни, можно увидеть во всех образцах культуры того времени, будь то живопись, музыка или литература.

Эпоха Возрождения, провозгласившая человека венцом творения и воспевающая его божественное происхождение в проявлении чисто “человеческих” качеств, также оставила не мало свидетельств такого мировоззрения в произведениях ис кусства того времени.

Кинематограф, литература и поэзия Советского периода нашей с вами истории также проникнуты идеями и лозунгами социализма и коммунизма.

Опять же, современное искусство позиционирует себя как “искусство новых технологий” и использует все последние дос www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ тижения компьютерной техники. Медиа арт, веб арт, компью терная графика, голография – наиболее актуальные на сегод няшний день направления. Иными словами, искусство шеству ет вслед за прогрессом, не желая оставаться “за бортом” и стре мясь всегда адекватно отражать окружающую нас действитель ность. Таким образом, перспективы развития науки и техники также определяют пути искусства.

Кстати, в 2001 году японские учёные, используя передовые ла зерные технологии, создали самую маленькую в мире скульптуру.

Она изображает разъярённого быка, разворачивающегося для атаки.

Размеры “микробыка” впечатляют: 10 мкм в длину и 7 мкм в высоту – не больше, чем у красных кровяных телец че ловеческой крови. Увидеть его можно только в сверхмощный микроскоп. При “высечении” скульптуры использовались два лазера, кото рые работали в инфракрасном диапазоне и по специальной программе обрабатывали заго Рис 25. Микроскульптура товку из полимера, затвердевавшего только под воздействием лазерного луча. Почему бы этому бычку не положить начало новому направлению в области наноскульптуры?

И кто знает, может быть не за горами тот день, когда “Битлз” нового поколения поразят весь мир новым музыкаль ным “нано” течением… Наноиндустрия в России и за рубежом Считается, что с 2000 года началась эра гибридной наноэле ктроники. В настоящее время ежегодно проводятся сотни конфе ренций, посвящённых различным аспектам нанотехнологии.

Опубликованы сотни тысяч статей и монографий, созданы спе циальные сайты в Интернете, происходит интенсивная подготов ка к созданию наноэлектронных элементов и различных функци ональных устройств: от простейших до нанокомпьютеров.

Кроме наноэлектроники, на основе нанотехнологии наи более активно развиваются: микро и наноробототехника, поз воляющая создать миниатюрные исполнительные механизмы с быстродействием в миллионы раз выше существующих и более сложные робототехнические системы с распределёнными ме ханическими устройствами: интегральная нанооптоэлектрони ка, позволяющая создать солнечные элементы с КПД в 4 раза ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии больше существующих, светодиоды и лазеры с перестраивае мым от инфракрасного до ультрафиолетового спектром излуче ния, высокоэффективные транспаранты и функциональные оптические приборы.

Осознание стратегической важности нанотехнологий при вело к тому, что в разных странах на уровне правительств и крупнейших фирм созданы и успешно выполняются програм мы работ по нанотехнологиям.

В Японии программа работ по нанотехнологии получила высший государственный приоритет “Огато”. Данный проект спонсирует не только государство, но и дополнительно около 60 частных фирм. Кроме данного проекта, в Японии финанси ровалось около дюжины проектов, посвящённых различным аспектам нанотехнологии квантовым волнам, флуктуациям в квантовых системах, и др. Крупнейшими проектами являлись “Atom Craft project” и “Aono project”. Внимание, уделяемое го сударством, было не случайным ещё 10 лет назад в стране при суждались золотые медали за лучшие достижения в области на нотехнологии. Основные разработки проводились в центре перспективных технологий “Цукуба”.

В Европе более чем в 40 лабораториях проводятся нанотех нологические исследования и разработки, финансируемые как по государственным, так и по международным программам (программа НАТО по нанотехнологии).

Кроме того, программы работ по нанотехнологии приобре ли статус государственных программ даже в сравнительно не больших странах типа Голландии и Финляндии.

В США отставание от Японии в финансировании работ по нанотехнологии стало предметом государственного обсуждения, в результате которого объём финансирования одних только фун даментальных исследований каждый год стал удваиваться.

С целью форсирования работ именно в данном направле нии в 2000 году по решению правительства США работы по на нотехнологии получили высший приоритет. В результате была создана Национальная нанотехнологическая инициатива, а при президенте организован специальный комитет, координи рующий работы по нанотехнологии в 12 крупнейших отраслях промышленности и вооруженных силах.

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Одной из целей программы является создание на основе нанотехнологии вычислительных устройств с производитель ностью в миллион раз выше существующих процессоров Pentium. Кроме того, в отличие от финансирования работ в об ласти фундаментальных исследований, объём финансирования работ по нанотехнологии в фирмах многократно выше. Напри мер, только в фирме Intel в прошлом году на разработки в об ласти нанотехнологий было потрачено более 1 млрд. долл.

В 2005 году мы насчитываем уже более 50 стран, ведущих исследования и разработки в нанотехнологии, включая Южно Африканскую Республику.

В России фундаментальные исследования по нанотехноло гии проводятся по нескольким программам. Наиболее крупные из них: программа “Физика наноструктур”, руководимая ака демиком Ж.И. Алферовым, и “Перспективные технологии и устройства в микро и наноэлектронике”, руководимая акаде миком К.А. Валиевым.

По последним данным, о состоянии российской наноинду стрии можно сказать следующее:

Достигнуты высокие результаты в области создания нано технологических приборов и установок. Были развиты основы микромеханики и разработаны сканирующие зондовые, тун нельные и атомно силовые микроскопы (концерн “Наноинду стрия”, фирма НТ МДТ, HTE, НИИФП им. Ф.В.Лукина и др.).

Отечественные ученые создали собственные теоретические и экспериментальные заделы в области твердотельных элемен тов квантовых компьютеров, квантовой связи, квантовой крип тографии. Технологии атомного масштаба (0,5 0,1 нм) откры вают абсолютно новые перспективы в этой сфере.

Разрабатываются новые методы получения наноматериа лов: синтез и компактирование ультрадисперсных порошков, получение наноматериалов методами интенсивной пластичес кой деформации, кристаллизация из аморфного состояния, пленочная нанотехнология.

Проводятся материаловедческие работы в области “интел лектуальных материалов”, ультрадисперсного состояния и суп рамолекулярной химии, коллоидных систем, а также разраба тываются теоретические принципы строения частиц с нанораз мерами, учитывающие размер как физико химический фактор.

ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии В области медицины, генетики и экологии также ведутся исследования и разработки наносистем. Созданы образцы так называемых “биочипов”, разработаны технологии выделения мономолекулярных кристаллических упорядоченных белковых структур бактериального происхождения и их использования в области микроэлектроники, микро и наномеханических уст ройств, биосенсоров, биотехнологии.

Результаты анализа свидетельствуют, что отечественные разработки находятся на уровне мировых достижений, но при очевидных успехах российской науки в области нанотехнологи ческих исследований наша страна пока не может вплотную за няться их массовым промышленным внедрением. Главная проблема – традиционный недостаток финансирования: в нас тоящее время в России не существует целевой государственной программы финансирования работ в области нанотехнологий.

Однако все же выдаются гранты на прикладные исследования в нанотехнологии по отдельным международным программам, а так же выделяются средства отдельными передовыми предприятиями.

Положительным фактором в этом вопросе является высо кий кадровый и научно технологический потенциал России, базирующийся на её известных интеллектуальных преимущест вах. Российское образование высоко оценивается зарубежны ми предприятиями, и много русских специалистов работает в нанотехнических лабораториях по всему миру.

Итак, повторим еще раз!

Согласно закону Мура, быстродействие компьютеров удваивается каждые 18 месяцев. Чтобы эта тенденция могла сохраняться в дальнейшем, необходимо, чтобы размеры тран зисторов преодолели нанометровый рубеж.

Нанотехнологии это технологии манипулирования ве Н а н о т е х н о л о г и и ществом на уровне атомов и молекул с целью получения про дуктов с наперед заданной структурой.

Толчком к развитию нанотехнологий послужила лекция Ричарда Фейнмана “Там внизу много места”, в которой он на учно доказывает, что с точки зрения физики нет никаких пре пятствий к тому, чтобы создавать вещи прямо из атомов.

Для эффективного манипулирования атомами Эрик а с с е м б л е р а Дрекслер ввел понятие ассемблера молекулярной наномаши ны, способной к саморепликации, которая может построить любую молекулярную структуру. Ассемблеры будут представ лять собой синтез живых и технических систем.

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Пример эффективного природного ассемблера меха низм синтеза белка рибосомой.

В настоящий момент главным оборудованием нанотехно логий являются сканирующие зондовые микроскопы, наиболее по пулярны среди которых туннельный и атомно силовой микроскопы.

Основным элементом зондовых микроскопов является зонд (кантилевер) сверхтонкая игла, позволяющая сканиро вать поверхность с атомарным разрешением.

Работа СТМ основана на измерении колебаний тун нельного тока, возникающего между зондом и поверхностью образца на расстоянии менее 0,5 нм. При изменении расстоя ния всего на 0,1 нм туннельный ток изменяется в 10 раз. Такие перепады позволяют с высокой точностью судить о рельефе поверхности на уровне атомов.

СТМ может работать в двух основных режимах:

а) постоянной высоты (острие иглы перемещается над образцом, а ток меняется) б) постоянного тока (ток поддерживается постоянным за счет перемещения иглы).

В отличие от туннельного, атомно силовой микроскоп позволяет исследовать не только проводящие, но и диэлектри ческие вещества (в том числе и биообъекты). Работа АСМ ос нована на измерении сил межмолекулярного взаимодействия, возникающих между зондом и поверхностью на малых рассто яниях (порядка ангстрема).

В 1985 году Р. Керл, Г.Крото и Р. Смолли открыли третье ал лотропное состояние углерода фуллерен, обладающее удивитель ными свойствами, за что были удостоены Нобелевской премии.

Молекула фуллерена имеет форму футбольного мяча, и состоит из правильных пяти и шестиугольников. Свое название фуллерен получил в честь архитектора Бакминстера Фуллера, впервые при думавшего использовать подобные структуры в строительстве.

В 1991 году Сумио Иидзима открыл нанотрубки цили ндрические углеродные образования, поразившие ученых фи зико химическими свойствами. Нанотрубки бывают однос лойные и многослойные, они гораздо легче дерева и в десятки раз прочнее стали, могут быть как проводниками тока, так и диэлектриками, обладают каппилярным эффектом и могут ис пользоваться во многих областях науки и техники.

Чем выше дисперсность частицы, тем больше площадь ее контакта с окружающей средой, что значительно влияет на химические и физические свойства данного вещества.

ГЛАВА 2. Законы квантового мира Глава 2. Законы квантового мира “Раз поведение атомов так не похоже на наш обыденный опыт, то к нему очень трудно при выкнуть. И новичку в науке, и опытному физи ку всем оно кажется своеобразным и туман ным. Даже большие ученые не понимают его настолько, как им хотелось бы...” Ричард Фейнман Как возникла квантовая физика Квантовая физика (механика) как научная теория оформи лась в начале XX века. Она ставит перед собой практически те же задачи, что и классическая механика Ньютона, то есть уста навливает способы описания и законы движения физических тел в пространстве и времени. Различие заключается в том, что в качестве объектов изучения выступают не макроскопические тела, как в классической физике, а субмикронные (элементар ные) частицы из мира атомов и молекул.

Говоря об элементарных частицах, нельзя не упомянуть древ негреческого философа Демокрита, который полагал, что атомы – это неделимые частицы материи, различающиеся только фор мой, величиной и положением. Он считал, что существует всего четыре вида таких атомов: атомы земли, воды, воздуха и огня.

Химия XIX века доказала существование гораздо большего разнообразия атомов, а открытие электрона в 1897 году поло жило конец мифу об их неделимости. Позднее кроме электрона были открыты и другие субатомные частицы – протон, нейт рон, мезон, пион и т.д. Но при этом оказалось, что взаимодей ствие между элементарными частицами происходит под действием каких то доселе неизвестных сил, многократно пре вышающих все изученные к тому времени.

Таким образом, в начале ХХ столетия выяснилось, что классическая механика не способна адекватно описывать зако ны взаимодействия микрочастиц, движущихся в чрезвычайно малом объеме (внутри атома), а необходимость установления этих законов и привело к рождению “новой” физики, получив шей название квантовой.

Но ведь физика – это наука о природе, ведь это видно даже из ее названия (“physis” – в переводе с греческого значит “при рода”). И как едина природа, так должна быть единой и физи www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ ка, изучающая закономерности ее проявлений. Поэтому исто рически возникшее разделение дисциплины на “классичес кую” и “квантовую” представляется нам не совсем правиль ным. Тем не менее, иногда это оправдано – ведь способы реше ния конкретной физической задачи определяются видом тех законов и формул, которыми мы пользуемся, а они существен но различаются в классической и квантовой физике.

К в а н т “Квант” в переводе с латинского означает “наименьшее количество”, на которое может измениться дискретная (прерывистая) физическая величина. Квантом также называют частицу носитель каких либо свойств (например, фотон – это квант электромагнитного поля).

Переход от классических представлений к квантовым тре бует от человека определенной психологической перестройки, ибо многие понятия, прочно устоявшиеся в нашем классичес ком мире, оказываются “вне игры” в мире квантовом.

Например, мы привыкли, что в классической физике поло жение тела вполне конкретно задается в трехмерном простран стве, а для описания его движения (т.е. изменения положения со временем) используется понятие траектории. При этом, ка ким бы сложным ни было движение тела в классической меха нике: равномерным, вращательным, колебательным и т.д., – мы, зная уравнение его траектории, всегда можем предсказать положение тела в последующий момент времени. Причем, го воря о том, что тело движется по некоторой траектории, мы предполагаем, что оно не может в один и тот же момент пере мещаться в пространстве еще каким нибудь образом (согласи тесь, сложно представить автомобиль или самолет, движущий ся одновременно в двух направлениях).

А вот в квантовой механике мы уже не можем оперировать понятием единственно возможной траектории частицы вооб ще, поскольку современный уровень развития знаний о зако нах квантового мира пока не позволяет нам однозначно и точ но описывать движение элементарных частиц.

Да что там траектория! Вот если в классике все очевидно – бросили вы деревяшку (частицу) в пруд, а по поверхности пру да побежали волны, – то в микромире сам квантовый объект умудряется обладать одновременно как волновыми свойства ми, так и свойствами частицы. Вспомните хотя бы эффект тун ГЛАВА 2. Законы квантового мира нелирования электронов сквозь потенциальный барьер, с кото рым мы познакомились в первой главе при изучении СТМ. Ес ли представить себе электрон в виде микроскопического мячи ка, движущегося в сторону высокого потенциального “забора”, то нельзя со стопроцентной уверенностью утверждать, что если его собственная энергия меньше потенциальной энергии барь ера, то он обязательно отскочит от него (как это сделал бы обычный мячик в нашем представлении). Факт остается фак том: некоторые электроны все же “проскакивают” сквозь барь ер, словно в “заборе” для них имеется специальный “туннель”, проявляя таким образом свои волновые качества.

В квантовой физике такие “чудеса в решете” строго доказыва ются и точно описываются, хотя с классической точки зрения выг лядят абсурдом. Тем не менее, эти “абсурдные” квантовые эффекты уже десятки лет исправно работают в различных приборах, а тун нельные микроскопы с 1985 года весьма продуктивно служат науке.

Сразу обращаем ваше внимание на то, что представлять элект рон в виде круглого мячика не совсем правильно, поскольку на са мом деле определить его истинную форму физика – пока – неспо собна. Поэтому следует понимать, что аналогия “электрон мячик” – это лишь удобная мысленная модель, наглядное допущение, оп равданное в некоторых случаях. Подробнее о проблеме определе ния природы элементарных частиц мы поговорим чуть позже.

И все таки, в каком мире мы живем – квантовом или класси ческом? Повторимся: наш мир един, как его ни назови. А вот каки ми законами пользоваться – квантовыми или классическими – за висит от конкретной задачи и необходимой точности ее решения.

Когда же, а точнее – с чего началось разделение физической науки на классическую и квантовую? Можно сказать, что первоп ричиной этому было расхождение в понимании природы света.

Первые научные воззрения на природу света принадлежат великим ученым XVII века – Ньютону и Гюйгенсу. Они придер живались противоположных взглядов: Ньютон считал, что свет представляет собой поток частиц (корпускул). Гюйгенс полагал, что свет – это волновой процесс. По Ньютону получалось, что чем больше оптическая плотность среды, тем больше в ней ско рость распространения света, по Гюйгенсу – наоборот. Великих ученых мог рассудить только опыт, однако в XVII веке необхо димая для его проведения техника была недоступна. Поэтому вплоть до XIX века (когда ученым удалось измерить скорость света www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ в различных оптических средах) свет считали потоком особых све товых частиц. Таким образом, сначала “победила” теория Ньютона, чей непререкаемый авторитет попросту “задавил” идеи Гюйгенса.

Но в начале XIX века Академия наук Франции объявила кон курс на лучшую работу по теории света, на котором Огюст Фре нель представил свою работу по интерференции и дифракции све та, согласно которой свет представляет собой волновой процесс.

Когда распространяющийся плоский фронт волн на пове рхности воды достигает перегородки, в которой есть узкая щель, волны выходят из нее кругами. Это явление называется дифракцией. Дифракция присуща не только обычным волнам, д и ф р а к ц и е й но и всем видам излучения, включая радиоволны, световые волны и рентгеновские лучи. При наличии в перегородке нес кольких щелей каждая из них оказывается источником круго и н т е р ф е р и р у ю т вых или сферических волн. Эти волны интерферируют (взаи модействуют) друг с другом, взаимно уничтожаясь в одних мес тах и усиливаясь в других.

Рис 26. Явления дифракции и интерференции Надеемся, что из курса школьной физики читатель хорошо помнит те характерные дифракционные и интерференционные картины, которые свидетельствуют о способности волн огибать препятствия, соразмерные длине волны. Поэтому мы не будем под робно останавливаться на опытах Френеля и продолжим рассказ.

В ходе дальнейшего обсуждения президент Академии Пуас сон заметил Френелю, что из его теории следуют “нелепые вы воды”. Например, если осветить тонкую иголку пучком парал лельных лучей, то в том месте, где должна быть геометрическая тень от иголки, по теории Френеля должна быть светлая поло са. Присутствующий на заседании ученый секретарь Академии Араго тут же организовал проведение этого нехитрого экспери ГЛАВА 2. Законы квантового мира мента, и маститые академики получили возможность убедиться в правоте Френеля (кстати говоря, это был один из редчайших случаев в науке, когда критикуемый автор доказал свою право ту, как говорится, “не отходя от кассы”). Появившаяся затем теория электромагнетизма Максвелла, из которой следовало су ществование в природе электромагнитных волн, и эксперимен тальное обнаружение этих волн Герцем, доказавшим, что их свойства подобны свойствам света, окончательно убедили уче ный мир в том, что свет – это электромагнитная волна.

Казалось бы, вопрос можно было считать закрытым – Нь ютон ошибался, как и многие. Но дело в том, что у великих и ошибки великие… В конце XIX века эксперимент установил тепловое излучение абсолютно черного тела.

т е п л о в о е и з л у ч е н и е Как известно, обычный свет (видимое излучение) предс тавляет собой совокупность электромагнитных волн разной длины (~400–760 нм), воспринимаемых человеческим глазом.

Об этом наглядно свидетельствует радуга – природная демон страция разложения белого цвета на “составляющие”. Ни для кого не секрет, что наш глаз воспринимает различные цвета не потому, что объекты обладают некоторым абстрактным свой ством “цвет”, а потому, что они способны поглощать и отра жать электромагнитные волны некоторой длины. Так, мы воспринимаем траву и листья деревьев зелеными не потому, что они “зеленые сами по себе”, а потому, что они поглощают все электромагнитные волны, кроме тех, которые соответствует зе леной части спектра. Если бы было иначе, мы бы могли разли чать цвета и в темноте, чего не наблюдается (недаром возникла поговорка “ночью все кошки серы”).

Абсолютно черным телом называют тело, способное полностью А б с о л ю т н о ч е р н ы м т е л о м поглощать весь падающий на него поток излучения, независимо от длины его волны.

Абсолютно черное тело – это, ко нечно, теоретическая абстракция, но наиболее близким приближением к нему является сажа или платиновая чернь. Суть экспериментов по тепло вому излучению состоит в следую щем: в качестве абсолютно черного Рис 27. Схематическое изображение абсолютно черного тела тела берется небольшой черный из www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ нутри сосуд с отверстием. Луч света, попавший в такой сосуд, через некоторое время полностью поглощается стенками сосу да, нагревая его.

Тепловое излучение можно почувствовать не только прогули ваясь под летним солнышком, но и приблизив руку к горячему, но совершенно не светящемуся утюгу. Вслед за эксперименталь ным обнаружением теплового излучения последовали многочис ленные попытки его теоретического обоснования, в связи с чем были построены различные теоретические модели этого явления.

Наиболее адекватной казалась теория теплового излуче ния, предложенная Рэлеем и Джинсом. При выводе своих фор мул они действовали очень строго, не делая никаких упроще ний, то есть опирались только на классические столпы физи ческой науки, утверждавшие, что свет – это электромагнитная волна. В результате сравнения экспериментальных данных с уравнениями, выведенными в рамках такого классического подхода, обнаружилось, что теория Рэлея Джинса описывает правильно лишь спектр излучения для самых малых частот, а в целом слишком отличается от реальных показателей.

Согласно этой теории, чем больше частота излучения, тем больше энергии содержит спектр, то есть все тела должны излу чать очень большую энергию в виде электромагнитных волн с очень высокой частотой (которая соответствует ультрафиолетовой части спектра) и каждое тело, потеряв всю свою энергию, быстро бы замерзало до отрицательных температур. Этот странный вывод у л ь т р а ф и о л е т о в о й к а т а с т р о получил драматическое название “ультрафиолетовой катастро фы”, так как демонстрировал полный провал попыток объяснить ф ы свойства спектра излучения, оставаясь в рамках понятий класси ческой физики, согласно которой свет имел волновую природу.

Лишь в 1900 м году разрешить это противоречие сумел не к в а н т о в мецкий ученый Макс Планк, выдвинув гипотезу квантов света.

Гипотеза Планка сильно напоминает корпускулярную теорию Ньютона и хорошо согласуется с результатами, полученными экспериментально. Если одним из основных идеологических моментов классической физики было понятие непрерывности светового потока, то Планк ввел в физику понятие дискретнос ти, предположив, что свет испускается отдельными порциями (квантами), которые он назвал фотонами.

ГЛАВА 2. Законы квантового мира Интересно, что, став основоположником квантовой физи ки, Планк до конца своих дней боролся против основных ее идей. В частности, на свою гениальную гипотезу световых кван тов Планк смотрел не более чем как на изящный математичес кий прием, позволяющий вывести формулу, точно объясняю щую все закономерности равновесного теплового излучения.

Основные понятия и законы квантовой механики Итак, Планк ввел в обращение новый термин – квант.

Что это такое?

Суть гипотезы Планка: атомы вещества могут испускать свет, но не непрерывно, а в виде отдельных порций (квантов). Энергия отдельного кванта пропорциональна частоте световой волны:

Е= ћ· где Е – энергия кванта света, называемого также фотоном;

– его частота;

ћ – 1,054·10 Дж·с – постоянная Планка.

В физике величину, имеющую такую размерность в системе СИ (Дж·с – энергия, умноженная на время), называют действием. Это разумно: подействовать – значит сообщить телу д е й с т в и е м определенную энергию в течение определенного времени. Так вот, постоянная Планка есть не что иное, как квант действия, то есть наименьшее по величине действие, возможное в приро де. Ввиду малости величины ћ квантовый характер воздействия для макроскопических тел не проявляется.

Постоянная Планка ћ – это фундаментальная физическая константа, определяющая границу между классическими и квантовыми представлениями. Если в условиях задачи физические величины действия значительно больше, то можно обойтись классической Ньютоновской механикой. В противном случае необходимо решать задачу по законам квантовой механики.

Несколько позже великий Эйнштейн для объяснения зако нов фотоэлектрического эффекта воспользовался гипотезой Планка и доказал, что свет не только испускается квантами, но и поглощается такими же порциями.

Итак, принципиальное свойство света – его двойственная к о р п у с к у л я р н о в о л н о в о й д у а л и з м природа, или корпускулярно волновой дуализм. С одной сторо ны, свет – это совокупность электромагнитных волн разной www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ частоты, с другой – это поток частиц (квантов, фотонов). Что бы увидеть ту или другую сторону природы света, нужно поста вить соответствующие опыты. Например, если мы поставим опыты по интерференции или дифракции света, то убедимся, что свет – это волновой процесс. Если же поэкспериментируем с фотоэффектом, то убедимся, что свет – это поток фотонов.

Разрешение этого противоречия как раз и привело к становле нию и развитию квантовой механики.

Структура атома С точки зрения классических законов физики непонятна устойчивость атома и линейчатый характер атомных спектров.

К началу XX века опыты показали, что электроны представля ют собой отрицательно заряженные частицы, являющиеся сос тавной частью атома. Электрический ток является ни чем иным, как упорядоченным движением электронов вдоль металлическо го провода, и в этом смысле электрон есть квант электричества.

п л а н е т а р Исходя из этого, Э. Резерфорд предложил в 1910 г планетар ную модель атома, в которой отрицатель н у ю м о д е л ь а т о м а но заряженные электроны вращаются как планеты вокруг центрального поло жительно заряженного ядра, притягива ющего их подобно Солнцу (напомним, что заряды одинаковых знаков отталки ваются, а противоположных притягива ются). Такая аналогия между атомом и Рис 28. Модель атома Резерфорда Солнечной системой сразу же захватила воображение людей. Она действительно позволяет очень нагляд но представить атом и объяснить некото рые его свойства, например, различия в энергии электронов.

Однако пользоваться данной аналоги ей можно только до определенного преде ла. Основной ее недостаток следует из природы электрических зарядов: если на заряд действует магнитное поле или силы притяжения какого нибудь атомного яд Рис 29. Траектория, по которой ра, то заряд не может двигаться равномер двигался бы электрон по законам классической физики но и прямолинейно. Его траектория будет ГЛАВА 2. Законы квантового мира искривлена, а из теории Максвелла следует, что такой заряд при движении должен испускать электромагнитные волны, теряя при этом часть своей энергии.

Таким образом, из законов классической физики неизбежно следовал вывод, что, двигаясь ускоренно по определенным орби там, электрон, излучающий энергию в виде электромагнитных волн, со временем должен терять скорость и, в конце концов, упасть на ядро (что положило бы конец существованию атома).

Согласно теоретическим расчетам, атомы бы прекратили свое существование примерно за наносекунду, что, конечно же, противоречит долговременной стабильности атома в действи тельности. Кроме того, совокупность таких атомов должна бы ла бы давать сплошной спектр излучения, а не линейчатый, наблюдаемый на опыте.

Постулаты Бора и квантование орбит Успех в устранении этих противоречий был достигнут Нильсом Бором в 1913 г., когда он распространил идеи Планка и Эйнштейна о квантовых свойствах электромагнитного излу чения и на атомы вещества. Бор ограничился рассмотрением атома водорода, поскольку он очень прост (единственный электрон вращается вокруг одного протона) и поддается мате матическому анализу.

Изучая линейчатый спектр атома, Бор понял, что сущест вуют очень простые правила, управляющие излучением свето вых волн атомами вещества, которые хорошо объясняют мно жество существующих электронных орбит. Свои выводы он сформулировал в виде известных постулатов Бора.

Первый постулат Бора (постулат стационарных состоя П е р в ы й п о с т у л а т Б о р а ний): электроны в атоме могут обладать лишь определенными (разрешенными) значениями энергии, другими словами нахо диться на определенных энергетических уровнях, образующих дискретный энергетический спектр атома.

Второй постулат Бора (правило частот): при определенных В т о р о й п о с т у л а т Б о р а условиях электроны могут переходить с одного уровня на другой (или с одной орбиты на другую), поглощая или испуская фотон.

Существует орбита с наименьшей возможной энергией, на которой электрон может находиться неограниченно долго – это его основное состояние. При переходе с низшего энергети www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Рис 30. Энергетическая схема атомных уровней. Энергия Е1 соответствует основному состоянию, Е2 – возбужденному.

ческого уровня на высший электрон возбуждается, но при каж дом удобном случае всегда стремиться вернуться из возбужден ного состояния обратно в основное. В возбужденном состоянии электрон может находиться не дольше наносекунды.

Что же заставляет электрон постоянно стремиться к своему первоначальному состоянию? Читатели наверняка обращали вни мание, что большинство всех объектов в природе всегда стремится минимизировать любое напряжение. Так, например, капля жид кости принимает сферическую, а не треугольную или квадратную форму именно потому, что такая форма наиболее “выгодна” с точ ки зрения противостояния силам поверхностного натяжения. То же самое справедливо и для электрона: чтобы удержаться на верх ней орбитали (превосходящей по энергии его собственную), ему нужно изрядно “попотеть”, преодолевая мощную силу притяже ния ядра – а какому нормальному электрону это понравится? В этом смысле электрон можно в шутку сравнить с лентяем в спорт зале: едва тренеру удастся загнать его на высокую перекладину, он вместо того, чтобы подтягиваться, тут же норовит c нее спрыгнуть.

“А как же тогда электрон переходит на более высокий уро вень?”, – спросите вы. Предположим, что атом находится в сос тоянии n и обладает энергией En. Чтобы вынудить электрон перей ти на уровень m, мы должны каким то образом “выпихнуть” его из основного состояния, придав ему некоторую дополнительную энергию (подобно тому, как пинок тренера необходим, для того, чтобы лодырь оказался на перекладине). Для этого будем “обстре ливать” электрон световыми фотонами различной частоты. Напо ГЛАВА 2. Законы квантового мира минаем, что энергия фотона зависит от частоты излучения, поэ тому она равна:

Е=ћ где –частота, ћ–постоянная Планка.

Оказывается, не каждый фотон способен вынудить атом перейти в возбужденное состояние, а лишь тот, чья энергия в точности равна разности энергий возбужденного и основного состояний электрона в атоме, то есть:

ћ =Еm En Только при такой энергии электрон, поглотив фотон, пе рейдет на уровень, соответствующий энергии Еm.

Рис 31. Получив необходимое количество энергии, электрон переходит на следующий энергетический уровень Если же энергия фотона окажется больше либо меньше не обходимой, то он “пролетит” сквозь атом, никоим образом не повлияв на состояние электрона.

Рис 32. Электрон остался в первоначальном состоянии вследствие избыточной, либо недостаточной энергии бомбардирующего его фотона www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Итак, электрон находится в возбужденном состоянии, из которого он в силу своей природы стремится вернуться обратно на “родной” уровень. Для этого ему нужно “освободиться” от энергии, полученной от фотона. Поэтому обратный переход сопровождается испусканием светового фотона абсолютно той же частоты, то есть Еn=Em ћ Так квантовая механика обнаружила, что атом обладает способностью поглощать и испускать фотоны света, и это в дальнейшем послужило основой создания лазеров и множества других машин, использующих этот принцип.

Итак, сформулируем важный вывод из теории квантовой механики: физические величины в квантовом мире изменяются квантами, т.е. дискретно.

Невозможно представить себе квантовую физику без одно го из ее основных принципов:

Принцип Паули (или принцип запрета): на каждом П р и н ц и п П а у л и энергетическом уровне атома в данном состоянии может находиться только один электрон, при этом чем выше уровень электрона, тем большая энергия ему соответствует. Каждому значению энергии соответствует своя орбита электрона вокруг ядра.

Строго говоря, орбита в квантовой механике – понятие до вольно условное. Из за несовершенства современной аппаратуры и невозможнос ти четко зафиксировать положение элект рона в атоме, можно лишь приблизительно говорить о некоторой “размытой” орбите электрона, означающей только то, что “в среднем” электрон находится на опреде Рис 33. Схема атома водорода ленном расстоянии от ядра.

Принципы работы лазера Понять и запомнить с первого раза многочисленные кванто вые постулаты не так то просто. Поэтому, чтобы облегчить чита телям изучение этой главы (на наш взгляд, самой сложной вви ду большого объема новой информации), давайте еще раз повто рим вышеизложенное, но уже на примере работы лазера – заме ГЛАВА 2. Законы квантового мира чательного практического применения квантовых законов и способности электронов поглощать и излучать световые кванты.

Рассмотрим вкратце принцип работы простейшего лазера.

Мы выяснили, что при переходе атома из основного состояния, которому соответствует более низкий энергетический уровень, в возбужденное (где энергия, соответственно, выше) происхо п о г л о щ е н и е дит поглощение фотона веществом с переходом на более высо кий энергетический уровень.

Рис 34. Поглощение фотона Из возбужденного состояния электрон всегда стремится вернуться в основное, поэтому время его пребывания в таком состоянии чрезвычайно мало – наносекунда. Переход электро на на более низкий энергетический уровень сопровождается излучением кванта света. Такое самопроизвольное излучение с п о н т а н н ы м принято называть спонтанным.

Рис 35. Спонтанное излучение Однако существует и другой вид излучения, открытый в ы н у ж д е н н ы м и н д у ц и р о в а н Эйнштейном и называемый вынужденным, или индуцирован ным. Индуцированное излучение происходит тогда, когда н ы м.

электрон в возбужденном состоянии снова подвергается действию внешнего электромагнитного излучения. При этом электрон переходит на более низкий энергетический уровень, испуская фотон, когерентный (идентичный по энергии и нап равлению) фотону, спровоцировавшему данный переход.

Рис 36. Вынужденное излучение www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Таким образом, при индуцированном излучении мы уже имеем два абсолютно идентичных (когерентных) фотона, дви гающихся в одном направлении.

А теперь представим себе цепочку атомов, вытянутую в прямую линию. Если все эти атомы находятся в возбужденном состоянии, то внешний фотон, ударив в крайний атом по нап равлению вдоль цепочки, вызовет излучение фотона из него, причем излученный фотон будет иметь такую же энергию и направление, что и ударивший. Таким образом, будут двигаться уже два одинаковых фотона. Один из них ударит в следующий атом, который даст излучение ещё одного такого же фотона.

Начинается движение уже трех одинаковых фотонов. Точно так же происходит излучение четвертого, пятого фотона, и т. д. Так в результате незначительного внешнего излучения начнется лави в р е з у л ь т а т е н е з н а ч и т е л ь н о г о в н е ш н е г о и з л у ч е н и я н а ч н е т с я л а в и нообразное усиление светового потока. Теоретически коэффици н о о б р а з н о е у с и л е н и е с в е т о в о г о п о т о к а ент усиления может достигать огромнейшего значения: 10, и в результате такого усиления будет двигаться огромная армия фо тонов, имеющих одинаковую энергию и одинаковое направле ние движения. Таким образом, излучение будет когерентным.

Такая схема получения когерентного (синхронного и син фазного) излучения впервые предложена в 1939 г. советским л а з е р ученым В.А. Фабрикантом и получила название лазер. Слово является аббревиатурой от английской фразы: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) — уси ление света с помощью вынужденного излучения.

Мы знаем, что в природе атомы всегда стремятся вернуться к своему основному, невозбужденному состоянию. Поэтому ес ли число возбужденных атомов меньше или равно числу невоз бужденных, то, сколько их ни облучай с помощью внешнего источника, никакого усиления света не получится (поскольку число фотонов, поглощенных невозбужденными атомами, бу дет превосходить число фотонов, излученных возбужденными).

Значит, для усиления света и получения когерентного излуче ния надо, чтобы возбужденных атомов было больше, чем нахо дящихся в основном, невозбужденном состоянии.

Если мы сможем каким то образом “переселить” электро ны на более высокие уровни, то есть возбудить большинство и н в е р с и ю н а с е л е н н о с т и атомов, то получим так называемую инверсию населенности энергетических уровней. Тогда при облучении вещества будут ГЛАВА 2. Законы квантового мира преобладать переходы с верхнего уровня на нижний, что приве дет к усилению падающего на вещество света.

Состояние вещества, в котором создана инверсная насе ленность энергетических уровней, называется активным или рабочим, а процесс создания инверсной населенности называ н а к а ч к о й ется накачкой. Методы накачки разнообразны и зависят от ти па лазера (твердотельного, жидкостного, газового, ядерного, полупроводникового и т.п.).

Рассмотрим процесс оптической накачки на примере тре хуровневого рубинового лазера. Трехуровневым он называется потому, что энергетический пе реход электронов здесь осущес твляется благодаря третьему, дополнительному уровню, ко м е т а с т а торый называется метаста бильным (на рисунке ему соотве б и л ь н ы м тствует уровень Е2). В отличие от возбужденного состояния Рис 37. Трехуровневая схема оптической (уровень Е3), время жизни ато накачки ма на этом уровне 10 с, что в миллион раз дольше, чем 10 с.

Необходимость использования метастабильного уровня объясняется вот чем: при оптической накачке атомы сначала возбуждаются, поглощая свет. Но для этого недостаточно толь ко двух уровней. Какой бы мощной ни была лампа накачки, возбужденных атомов не станет больше, чем невозбужденных.

Поглотив первоначальное излучение, атомы переходят в возбужденное состояние (которому соответствует уровень Е3), из которого тут же спонтанно и без излучения перескакивают на метастабильный уровень Е2, где и накапливаются. Через неко торое время число атомов на уров не Е2 начинает превышать число атомов в основном состоянии, создавая требуемую инверсию на селенности.

Однако для нормального функционирования лазера такой процесс должен повторяться мно гократно и регулярно. Для этого Рис 38. Схема оптического резонатора активную среду помещают в оп www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ тический резонатор (систему, способную породить колебания определенной амплитуды и частоты), который представляет со бой систему двух зеркал.

В пространстве, заполненном активной средой, между двумя зеркалами, одно из которых полупрозрачное (на рисунке зеркало 2), движется поток излучаемых атомами фотонов. Большая часть этого потока проходит через полупрозрачное зеркало и в виде ко герентного луча излучается во внешнее пространство, а небольшая часть потока отражается обратно. В свою очередь, эти фотоны вы зывают вынужденный переход встретившихся на их пути атомов и т.д. Развивается лавинообразный процесс, причем каждый следую щий фотон летит в том же направлении, что и фотон, его вызвав ший.

Таким образом, оптический резонатор обеспечивает мно гократное происхождение световых волн, распространяющих ся вдоль его оси по усиливающей среде, вследствие чего дости гается высокая мощность излучения, поэтому если какой то внешний источник энергии (относительно слабый) может под держивать инверсное состояние активной среды, то через зер кало 2 все время будет излучаться когерентный поток фотонов.

Свойства лазерного излучения Излучение лазера представляет собой поток летящих почти параллельно одинаковых фотонов. Это придает ему ряд важных особенностей.

Во первых, очень малая расходимость лазерного излуче ния. Если, например, диаметр лазерного пучка 1 см, а длина волны 5·10 см, то угол расходимости составит всего 0,003°, то есть, фактически, получаем параллельный поток излучения. С помощью собирающих линз и зеркал лазерные лучи можно сфокусировать в точку размером 500 нм (для видимого света).

Если такой луч послать на Луну, то он высветит на её поверх ности круг диаметром 30 м. Луч хорошего прожектора осветил бы поверхность диаметром 40.000 километров.

Во вторых, лазерное излучение обладает высокой монох ромностью, т. е. имеет практически одну единственную час тоту и соответствующую ей одну единственную длину вол ны. Это объясняется тем, что у всех фотонов в лазерном луче одинаковая энергия.

ГЛАВА 2. Законы квантового мира Третья особенность лазерного излучения состоит в том, что можно в широких пределах управлять длительностью излуче ния от сколь угодно длительных до сверхкоротких (вплоть до 10 с) импульсных вспышек. Импульсы такой малой длитель ности имеют в пространстве ничтожно малую длину и огром ную мощность. Современные лазеры излучают в одном таком импульсе энергию до нескольких тысяч джоулей! Это сравнимо с мощностью крупнейших электростанций. Огромная мощ ность лазерного излучения приводит к тому, что вещества, ос вещенные лазером, могут быть нагреты до весьма высоких тем ператур. Интенсивность сфокусированного лазерного луча мо 20 жет быть 10 Вт/см и более, при этом напряженность электри ческого поля в луче достигает 10 В/см. Под действием такого сильного поля происходит не только ионизация атомов они расщепляются на электроны и положительные ионы но и термоядерные реакции, в ходе которых одни элементы превращаются в другие.

Лазеры имеют многочисленные применения в технике для сварки, резки и плавления металлов, в медицине как бескров ные скальпели при лечении разных болезней. Лазерная лока ция позволила измерить скорость вращения планет и уточнить характеристики движения Луны и Венеры. Лазеры используют ся в оптоволоконных линиях связи для передачи и обработки большого объема информации. Лазеры считывают информа цию с компакт дисков в каждом компьютере и проигрывателе.

Наконец, применяя лазеры для нагрева плазмы, пытаются ре шить проблему управляемого термоядерного синтеза. В насто ящее время созданы лазеры, генерирующие излучение в инф ракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазоне длин волн.

За создание лазеров советские физики Н. Басов и А. Прохоров вместе с американским физиком Ч. Таунсом в 1964 году полу чили Нобелевскую премию.

Корпускулярно волновой дуализм нанообъектов Итак, мы уяснили, что свет представляет собой одновре менно частицу и волну. В 1924 году французский ученый Шарль де Бройль распространил принцип квантово волнового дуализ ма на все микрообъекты природы. Согласно де Бройлю, каждой частице следует поставить в соответствие волну, длина которой www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ г и п о т е связана с импульсом этой частицы. По де Бройлевской гипоте зе о всеобщности корпускулярно волнового дуализма, не только з е о в с е о б щ н о с т и к о р п у с к у л я р н о в о л н о в о г о д у а л и з м а, фотоны, но и все частицы вообще (электроны, протоны и т.д.) наряду с корпускулярными обладают также волновыми свой ствами. Последние, в свою очередь, должны проявляться в яв лениях дифракции и интерференции частиц.

Когда мы изучаем свет, сначала бросаются в глаза его вол новые свойства, а при более пристальном рассмотрении – кор пускулярные. При изучении же частиц наблюдается обратная картина.

В соответствии с известным соотношением Эйнштейна, фотону с энергией Е=ћ, соответствует энергия mc =ћ,.

Здесь с скорость света;

m масса фотона;

его частота.

Отсюда:

Учитывая, что импульс фотона p=mc, а частота света свя зана с длиной волны l соотношением: =2pс/, получим:

Данное уравнение является замечательной иллюстрацией двойственной природы света, поскольку объединяет длину вол ны света, связанную с его волновой природой, и импульс фо тона p, характеризующий его как частицу.

Заслуга де Бройля состоит в том, что он распространил дан ную формулу на все частицы материи, придав ей универсальное значение.

где p=mv импульс частицы, m масса частицы, v ее скорость.

Гипотеза де Бройля впоследствии была подтверждена экс периментально. В частности, в опыте американских физиков К. Дэвидсона и Л. Джермера в 1927 году обнаружена дифракция элементарных частиц – электронов. Для этого они использова ГЛАВА 2. Законы квантового мира ли всем хорошо известную электронно лучевую трубку, приме няющуюся в телевизорах, дисплеях и осциллографах.

В этих трубках (или электронных пушках) электронные пуч ки, генерируемые катодом и управляемые электромагнитным полем, направляются в сторону экрана, покрытого люминофо ром. При попадании частицы в экран на нем возникает светя щееся пятнышко. Так вот, на пути от источника к экрану элект роны ведут себя как классические частицы, и их движение можно рассчитать средствами классической физики. Однако если на пути летящих в трубке электронов поставить экран со щелью, то после прохождения их через эту щель на экране наб людается чередование темных и светлых полос, аналогичное дифракционной картине световых волн. Значит, электроны способны к дифракции, то есть ведут себя подобно волнам!

Позднее советский ученый Тартаковский доказал, что вол новые свойства присущи не только пучкам электронов, но и каждому электрону в отдельности. А в 1999 году обнаружена интерференция фуллеренов и биомолекул.

В таблице приведены и другие эксперименты, свидетельствую щие как о волновых, так и о корпускулярных свойствах электрона:

Исследуемое явление Волновая Корпускулярная И с с л е д у е м о е я в л е н и е В о л н о в а я К о р п у с к у л я р н а я теория теория т е о р и я т е о р и я Дифракция + – Отражение + + Преломление + + Интерференция + – Фотоэффект – + Табл 2. Эксперименты, свидетельствующие о волновых и корпускулярных свойствах электрона Человеку, привыкшему к законам макромира, бывает труд но представить волновую природу электрона или другой части цы. Нам удобнее представлять себе электрон в виде воображае мого шарика в миниатюрной солнечной системе. Тем не менее, это представление годится только для первоначального знако мства с понятием межатомных взаимодействий, но не подходит для дальнейшего изучения квантовой механики. Поэтому к атому нужно подходить скорее как к странному музыкальному инструменту – аналогу звукового резонатора, – в котором вместо звуковых волн мы имеем волны электронные.

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Такое сравнение помогает понять суть квантования орбит.

Известно, что натянутые струны рояля как простейшие резона торы могут колебаться только с определенной частотой. Поэто му, говоря об электронных орбитах, следует иметь в виду раз личные частоты колебаний. Меняя частоту, электрон излучает световую волну, частота которой тем выше, чем больше разни ца частот электрона, между которыми произошел переход.

Приведем еще одну аналогию, которая поможет облегчить понимание волновой природы электрона. Вообразите серию волн, набегающих на пологий берег. Они имеют вполне опреде ленную скорость, и ее можно вычислить, зная время и расстояние между двумя соседними гребнями. Волна, однако, не особенно локализована, она занимает большое пространство. Электрон, скорость которого известна (в отличие от положения, которое мы смутно представляем), можно представить в виде такой волны.

Длина волны де Бройля обратно пропорциональна импуль су частицы. Фактически это означает, что для больших тяжелых частиц длина волны очень мала, и волновые свойства таких час тиц заметить практически невозможно. Это касается всех мак рообъектов, для более менее точного описания которых вполне хватает классической механики.

Квантовые пределы точности измерений Одной из актуальнейших проблем современной нанотехно логии является так называемая “проблема толстых пальцев”, под которой подразумевается сложность манипулирования микро и наночастицами. Ведь если даже диаметр волоса в несколько ты сяч раз превосходит нанометровые размеры, то какими же долж ны быть инструменты для работы с объектами квантового мира?

Бор сформулировал один из основополагающих принци п р и н ц и п д о п о л н и т е л ь н о с т и, пов квантовой механики – принцип дополнительности, согласно которому невозможно точно измерить одну физическую вели чину микрообъекта без потери информации о величине, допол нительной к ней.

Фактически суть таких взаимно дополнительных величин описывается и соотношением неопределенностей Гейзенберга, которое утверждает, что существуют такие пары физических вели чин, одновременное и точное определение которых невозможно.

ГЛАВА 2. Законы квантового мира Примером такой пары величин являются координаты части цы x и проекция ее импульса p на ось х. Количественно соотно шение неопределенностей формулируется следующим образом:

Если x–неопределенность координаты частицы, а p– неопределенность проекции импульса частицы p на ось x, то произведение этих неопределенностей должно быть не меньше постоянной Планка ћ:

Отсюда следует, что если мы точно определили координату частицы:

то мы ничего не можем сказать об ее импульсе:

И наоборот.

Из соотношения неопределенностей следует, что чем точнее определено значение одной из входящих в него величин, тем ме нее определено значение другой. Например, по столу ползет му ха. Попытаемся определить одновременно ее координату и им пульс. Для точного определения координаты “зафиксируем” по ложение мухи хлопушкой. Да, в этом случае мы точно знаем ко ординату мухи, но что тогда можно сказать о ее импульсе? Ведь она уже не ползет, а лежит вверх ножками… Конечно, данная ана логия не совсем корректна, поскольку муха является далеко не квантовым объектом, но она весьма показательна.

Рассмотрим еще несколько примеров. Допустим, нам тре буется определить координату x и импульс p электрона.

Зная, что электрон обладает волновыми свойствами, мы даже интуитивно чувствуем, что волна – это ускользающий объект, который “не дается в руки”. Чтобы определить местонахожде ние электрона x, он должен рассеять хотя бы один фотон. При этом вследствие дифракции координата будет определена с точностью до порядка длины волны фотона:

x ~ (1).

Но, рассеивая фотон, электрон изменяет свой импульс на величину p, которая будет примерно равна импульсу фотона:

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ (2).

Из (1) и (2) следует:

x· p ~ ћ, то есть как раз соотношение неопределенностей.

Другая пара величин, связанных соотношением неопреде ленностей, – это энергия системы Е и время t, в течение кото рого система имеет это значение энергии. В этом случае соот ношение неопределенностей выглядит так:

E· t ~ ћ.

Отсюда следует, что если мы имеем возможность наблюдать динамическую систему в течение времени t, то ее энергия мо жет быть определена с точностью, не более, чем:

Таким образом, соотношение неопределенностей устанав ливает фундаментальные, принципиально непреодолимые пределы точности измерений. Можно даже сказать, что природа позво ляет изучать себя с точностью только до соотношения неопре деленностей, и не более того.

Читатель может возразить, что если мир един, то почему мы не говорим о принципе неопределенности для измерения клас сических частиц, например, в случае движения бильярдного шара или автомобиля? На самом деле неопределенность прису тствует и здесь, но по ряду причин мы ее не замечаем. Во пер вых, любое измерение, выполненное с помощью инструмен тов, пусть даже самых совершенных (а совершенству, как изве стно, нет предела), не может быть идеальным в том смысле, что положение и скорость не могут быть определены совсем без ошибок. Ошибки hприсущи физическим измерениям;

можно стремиться к их уменьшению, но избавиться от них полностью нереально. Во вторых, неопределенность, предсказанная Гей зенбергом, уменьшается с увеличением массы рассматриваемо ГЛАВА 2. Законы квантового мира го объекта, пока не становится совершенно незаметной в слу чае макроскопических тел.

Итак, мы убедились, что:

Никакой эксперимент не может привести к одновременному и точному измерению величин, которые являются дополни тельными друг к другу.

Принцип дополнительности часто объясняют влиянием измерительного прибора на частицы. С одной стороны, это оп равданно, поскольку большинство измерительных приборов так или иначе является макроскопическими, грубыми по отно шению к размерам квантовых объектов. Понятно, что чем больше техническое несовершенство измерительного прибора, тем менее определенными (точными) будут измерения.

С другой стороны, неопределенность в измерениях связана не только с несовершенством измерительной техники, но и с объективными свойствами материи. Дело в том, что любое из мерение как физический процесс обязательно сопровождается воздействием на объект в процессе измерения. Когда мы, пред положим, определяем силу тока в цепи с помощью амперметра, в идеале нужно изолировать его от всех внешних факторов, в том числе делать это, например, в абсолютной темноте. Ведь фотоны света могут оказывать давление на стрелку и показания амперметра в темноте и на свету будут различными.

Разумеется, ни один психически здоровый человек не станет учитывать подобные “тонкости” в макромире, но когда речь идет о пространстве квантовых величин, без этого просто не обойтись.

Волновая функция и вероятностный характер поведения квантовых объектов Классическая механика решает задачи, в которых состоя ние системы тел в любой момент времени может быть точно рассчитано.. Квантовой же механике приходится иметь дело с объектами, изучение которых ограничено принципом неопре деленности, описанным выше.

Если в классическом мире мы выбираем некоторый объем dV и решаем задачу поиска местонахождения частицы (напри мер, нахождения телевизора в комнате), то имеются только два варианта точного решения этой задачи:

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ либо частица находится в данном объеме (вероятность ее нахождения там равна 1 или 100%) либо частицы нет в данном объеме (вероятность ее на хождения там равна 0 или 0%) Законы квантового мира не обладают той степенью нагляд ности, которая свойственна законам классической механики.

Здесь все гораздо сложнее. Например, известно, что указать точ ное расположение электрона в атоме невозможно – он как бы “размазан” вокруг положительно заряженного ядра протона. Тем не менее, мы все же можем утверждать, что с определенной долей вероятности данный электрон находится на той или иной орбите.

Поэтому для решения задачи нахождения частицы в кван товом мире мы можем лишь указать, что вероятность dP того, что частица находится в объеме dV равна:

Очевидно, что чем больше рассматриваемый объем, тем выше вероятность обнаружить в нем искомую частицу (если, например, заранее известно, что телевизор находится в комна те, то, увеличивая объем той части комнаты, в которой произ водится поиск, мы тем самым увеличиваем вероятность успеш ного обнаружения искомого предмета).

Следовательно, вероятность dP прямо пропорциональна dV и связана с ней следующим соотношением:

dP=| | ·dV Коэффициент пропорциональности | | – это квадрат амп литуды волновой функции.

Волновая функция это величина, которая в квантовой меха В о л н о в а я ф у н к ц и я нике полностью описывает состояние микрообъекта (электро на, протона, атома и т.п.) и вообще любой квантовой системы.

Исторически название “волновой” она получила потому, что уравнение, определяющее эту функцию (уравнение Шрё дингера, о котором речь пойдет дальше), внешне похоже на уравнение, описывающее волновые процессы (типа Sin, Cos).

Но на самом деле мы не можем ассоциировать волновую функ цию микрочастицы с какой то физической реальностью, как в ГЛАВА 2. Законы квантового мира случае звуковых или морских волн. Волновая функция – поня тие чисто математическое и имеет вероятностный смысл.

Чтобы обеспечить понимание волновой функции, нам не обходимо познакомиться сначала с основами теории вероятнос тей. Эта тема, как правило, не входит в обычный школьный курс математики, хотя на самом деле здесь нет ничего сложного.

Основные положения теории вероятностей Окружающий нас мир полон случайностей. Номера выиг рышных билетов в лотерее, количество солнечных дней в году, ре зультаты спортивных состязаний, выпадение “решки” при подб расывании монеты, неожиданная случайная встреча, кардинально переворачивающая судьбу – все это примеры случайных событий, происходящих в повседневной жизни и влияющих на нее.

Теория вероятностей не может предсказать, произойдет или не произойдет какое то реальное событие, а лишь предла гает математический аппарат для анализа и прогнозирования вероятности его появления. Она изучает вероятностные зако номерности случайных событий, существующие объективно, т.е. независимо от наших желаний и предпочтений.

Исторически зарождение теории вероятностей связано с поиском закономерностей в азартных играх, таких как карты и кости. Именно тогда были предприняты первые попытки мате матического прогнозирования и количественного определения шансов на успех. Исходными понятиями здесь являются поня тия “случайное событие” и “испытание” (опыт, эксперимент).

Случайное событие – это явление, которое при одних и тех С л у ч а й н о е с о б ы т и е же условиях может или произойти, или не произойти.

Испытание – это создание и осуществление этих неопреде И с п ы т а н и е ленных условий. Любое испытание приводит к результату или исходу, который заранее невозможно точно предсказать.

Случайные события происходят повсеместно – в природе, нау ке, технике, экономике, военном деле и т.д. Приведем простейшие примеры испытаний и соответствующих им случайных событий.

Важно отметить, что на самом деле “случайные события” вовсе не случайны просто для их расчета пришлось бы учесть такое количество факторов и произвести расчеты такой сложнос ти, что никто этим не занимается. Однако с совершенстованием компьютеров и датчиков люди cмогут анализировать данные все www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ № Испытание Событие № И с п ы т а н и е С о б ы т и е 1 Бросание монеты Выпадение “орла” или “решки” 2 Бросание игральной кости Выпадение 1,2,3,4,5 или 3 Выстрел по цели Попадание в цель или промах 4 Извлечение карты из Извлечение карты одного цвета, колоды масти или достоинства Табл 3. Примеры простейших испытаний и событий быстрее и точнее и многие события перестают быть случайными.

Например, попадание снаряда в цель перестало быть случайным, когда в нем появился компьютер, рассчитывающий и корректи рующий траекторию полета. Выигрыш в рулетку сотни лет счи тался случайностью, пока хитрые игроки не наловчились переда вать данные об игре через видеокамеру в суперкомпьютер, кото рый смог рассчитать, на какую цифру упадет шарик. С развитием нанотехнологии компьютеры станут еще мощнее и компактнее, а значит, многие события перестанут быть случайными и станут не только предсказуемыми, но и управляемыми.

Случайные события могут быть:

а) достоверными или невозможными;

Достоверным называется событие, которое в данных усло виях всегда происходит, невозможным – если оно никогда не может быть результатом данного испытания. Например, при бросании монеты событие А – “Выпадение какой либо сторо ны монеты” будет достоверным, а B – “Одновременное выпа дение “решки” и “орла”” – невозможным.

б) зависимыми или независимыми;

Если появление одного события влечет за собой появление другого, то говорят, что второе событие зависит от первого.

в) равновероятными или неравновероятными;

Например, в случае бросания игральной кости события вы падения каждой цифры равновероятны (если, конечно, это “честная” кость, без смещенного центра тяжести).

А вот вероятности события “В полдень в Москве выпадет снег” будут сильно различаться в зависимости от времени года, соответствующего данному испытанию.

К определению самого понятия вероятности существует нес колько различных подходов. Мы рассмотрим лишь те из них, ко торые необходимы нам для понимания изучаемых квантовых яв лений, а именно – классический и статистический подходы.

ГЛАВА 2. Законы квантового мира Классическое определение вероятности исторически сло К л а с с и ч е с к о е о п р е д е л е н и е в е р о я т н о с т и жилось первым. Оно имеет место в случаях, когда случайные события являются равновероятными. Для начала рассмотрим пример: предположим, в корзине лежат 10 шаров одинакового размера, из которых 6 – красных, 3 – зеленых и 1 – желтый. Все шары хорошо перемешаны, а опыт состоит в том, что мы науда чу вытаскиваем один шар из корзины.

Результатом этого опыта будет служить одно из следующих случайных событий …, где – выпадение красного шара – выпадение зеленого шара – выпадение желтого шара Интуитивно понятно, что вероятность выпадения красно го шара выше, чем остальных, поскольку среди всех возможных исходов количество возможных благоприятных исходов, соот ветствующих этому событию, выше. Таким образом, Вероятность – это отношение числа благоприятных событию В е р о я т н о с т ь исходов m к общему числу всех равновозможных исходов n Обычно вероятность обозначают буквой P (от англ. “prob ability” вероятность). Вероятность в данном случае понимает ся как количественная мера объективной возможности появле ния случайного события А и определяется формулой В нашем примере событиям выпадения красного, зеленого и желтого шара будут соответствовать вероятности 6/10, 3/10 и 1/10.

Функция вероятности обладает некоторыми специальны ми свойствами:

1. 0

2. Вероятность достоверного события = 3. Вероятность невозможного события = Статистическое определение вероятности С т а т и с т и ч е с к о е о п р е д е л е н и е в е р о я т н о с т и Классическим подходом к вероятности удобно пользоваться, когда количество всех равновозможных исходов в опыте ограни чено и не слишком велико. Однако эти условия не всегда соблю www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ даются на практике: иногда приходится решать задачи, в которых число исходов постоянно меняется или бесконечно велико. Кро ме того, не всегда события могут быть равновероятными.

Практика показывает, что массовые случайные явления об ладают одним уникальным свойством: с увеличением числа ис пытаний повышается устойчивость их появления. Например, если повторить опыт бросания монетки 100 раз, то примерно в 50% испытаний выпадет “орел”, а в 50% “решка”. Если увели чить число испытаний до 1000 раз, это в конце концов приведет к еще большей устойчивости частоты полученных значений, а это уже определенная закономерность.

При статистическом подходе нас интересует не исход отдель но взятого испытания, а то, что получается в результате его мно гократного повторения, то есть в качестве статистической вероят ности события принимают частоту появления того или иного со бытия при неограниченном увеличении числа испытаний.

Например, если в результате достаточно большого числа испытаний оказалось, что относительная частота весьма близка к 0.4, то это число можно принять за статистическую вероят ность события.

Статистический вероятностный подход используется пов семестно для анализа и прогнозирования событий, процессов, явлений. На его основе построены некоторые научные теории физики, квантовой механики, эволюции, генетики, информа тики и др. Вероятностно статистические методы широко при меняются в промышленности для контроля качества продук ции, технической диагностики оборудования, организации массового обслуживания, астрономических наблюдений и т.д.

п л о т В рамках статистического подхода вводится понятие плот ности распределения вероятности р(х), вид функции которой н о с т и р а с п р е д е л е н и я в е р о я т н о с т и р ( х ), определяет закон распределения случайных величин. Сущест вуют самые разные законы распределения: равномерное расп ределение, распределение Пуассона, распределение Бернулли и др., но наиболее распространено в природе так называемое нормальное распределение, или распределение Гаусса. На рисунке представлен вид функции такого нормального распределения, а смысл его заключается в том, что в результате большого числа испытаний относительная частота появления какого то собы тия группируется вокруг некоторого среднего числа, которое и можно принять за значение статистической вероятности.

ГЛАВА 2. Законы квантового мира Рис 39. График функции плотности вероятности при нормальном распределении Следующий пример наглядно иллюстрирует данный закон распределения: предположим, мы высыпаем мешок гороха на пол, держа его в одном и том же вертикальном положении. В принципе, после этого существуют некоторая вероятность об наружить горошину в любом месте комнаты, даже в самом дальнем углу. Однако вероятность того, что мы найдем гороши ну в самом центре образовавшейся на полу “кучки”, гораздо выше. Значение вероятности, соответствующее координате центра кучки, мы и принимаем за статистическую вероятность.

Другой пример: пусть производится серия выстрелов по це ли. Если учесть, что стрелки палят не наобум, а прилагают все усилия, чтобы попасть в “яблочко”, то вероятность попадания пули будет возрастать с приближением к центру мишени.

Но “вернемся к нашим баранам”. Итак, мы решаем задачу нахождения микрочастицы в некотором объеме dV, например, ищем местоположение электрона в атоме. Как мы уже знаем, из за несовершенства измерительных приборов мы не можем точно указать его местоположение, а можем лишь указать вероятность dP его местонахождения в той или иной части объема dV.

Кроме того, мы знаем, что эта вероятность dP прямо про порциональна dV и связана с ней следующим соотношением:

dP=| | ·dV где| | – это квадрат амплитуды волновой функции, мате матический смысл которой соответствует как раз функции плотности распределения вероятностей.

Перепишем данное уравнение в виде:

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Теперь ясно видно, что | | определяет вероятность нахож дения частицы в некоторый момент времени t в некотором объ еме dV, то есть фактически место ее нахождения в точке с коор динатами x,y,z (объем имеет три измерения) В атоме водорода единственный электрон как бы образует вокруг ядра электронное облако – облако отрицательного заряда, плотность которого в некоторой точке характеризует вероятность нахождения там электрона. На рисунке показана вероятность об наружить электрон на расстоянии r от ядра атома водорода.

Максимальная вероятность найти электрон соответствует рас стоянию r=0,053нм. Вполне воз можно, что в некоторый момент электрон находится или ближе к ядру, или дальше, но вероятность его обнаружения при этом убывает.

Область пространства, для ко торой вероятность обнаружения электрона составляет 95%, назы Рис 40. График вероятности обнаружения электрона на разном расстоянии от ядра а т о м н о й о р б и т а л ь ю вается атомной орбиталью.

Итак, мы усвоили еще одну важную особенность квантовой механики:

Поведение элементарных частиц носит вероятностный характер, описываемый волновой функцией Чтобы определить волновую функцию частицы для конкретной задачи, физики решают уравнение Шредингера, которое учитывает влияние электромагнитных сил на ее движение. Это дифференци альное уравнение в частных производных второго порядка.

Страшно? Для решения этого уравнения потребутся зна ния, которые не может обеспечить школьная программа по ма тематике, поэтому мы не будем обсуждать его в нашем курсе. За метим лишь то, что для квантового мира уравнение Шредингера играет ту же роль, что законы Ньютона для мира классического.

ГЛАВА 2. Законы квантового мира Уравнение Шредингера и Периодическая сис тема элементов Менделеева Многообразие нашего мира объясняется огромным разно образием элементов, существующих во Вселенной. В настоя щее время науке известно более 110 элементов с уникальными физико химическими свойствами.

Мы знаем, что атом любого вещества состоит из положи тельно заряженного ядра, окруженного облаком электронов.

Ядро, в свою очередь, состоит из некоторого количества прото нов, заряженных положительно, и нейтронов, не имеющих ни какого заряда. Атомы стабильны потому, что в своем основном состоянии они энергетически нейтральны, то есть положитель ный заряд ядра полностью скомпенсирован суммарным заря дом электронов (число протонов в ядре атома равно числу электронов на его орбиталях).

Ученые всегда стремились упорядочить все разнообразные элементы в некую единую логическую схему. Самой удачной попыткой сделать это оказался принцип, предложенный в году русским ученым Д.И. Менделеевым, который лег в основу современной Периодической системы элементов.

В таблице Менделеева элементы расположены в порядке а т о м н ы х н о м е р о в возрастания их атомных номеров (числа протонов в ядре). Нап ример, атомный номер водорода равен единице. Это говорит о том, что ядро атома водорода состоит из одного протона, вокруг которого вращается единственный электрон.

Элементы распределены по горизонтальным рядам, назы п е р и о д а м и, ваемым периодами, и вертикальным столбцам, называемым группами. Такое распределение основывается на некоторой г р у п п а м и общности физико химических свойств элементов, которые пе риодически изменяются в соответствии с их атомным номером.

Например, все элементы первой группы (кроме водорода) яв ляются щелочными металлами, а все элементы восьмой группы представляют собой благородные газы.

Все это здорово, но при чем же здесь уравнение Шрединге ра? Мы помним, что согласно принципу Паули, электронная оболочка атома не может одновременно содержать два электро на в одном и том же состоянии. А поскольку число электронов в некоторых атомах достигает десятков и даже сотен, то возни кает естественный вопрос: как же они все там расположены?

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Решение волнового уравнения Шредингера позволило вы числить четыре параметра, которых достаточно, чтобы пол ностью охарактеризовать состояние любого отдельно взятого электрона. Эти параметры получили название “четыре квантовых числа”. Полученная квантовая четверка – своего рода “паспорт”, однозначно идентифицирующий каждый электрон в атоме.

Главное квантовое число (число n) характеризует оболочку, в Г л а в н о е к в а н т о в о е ч и с л о n которой находится электрон. Оно соответствует повыша ющимся энергетическим уровням оболочек.

n Чем больше число n, тем дальше элект рон отстоит от ядра и тем выше его энергия.

Выделяют четыре энергетических оболочки:

K(n=1), L(n=2), M(n=3) и N(n=4).

K ( n = ), L ( n = ), M ( n = ) N ( n = ).

Но одного деления на оболочки для пол ного описания состояния электрона недоста точно. Дело в том, что каждая энергетическая Рис 41. Схема атома с оболочка атома может “вмещать в себя” раз двумя энергетическими оболочками ное количество электронов. Понятно, что для того, чтобы обеспечить их уникальность (согласно принципу Паули), каждая оболочка должна разбиваться еще на несколько подоболочек, получивших название орбиталей.

Орбитальное квантовое число (число l) определяет форму О р б и т а л ь н о е к в а н т о в о е ч и с л о l электронных орбиталей.

Решение уравнения Шредингера позволило вычислить формы всех существующих видов электронных орбиталей. Их всего четыре: s, p, d и f орбитали. На рисунке изображен вид s, p и d орбиталей. S орбиталь имеет сферическую форму, p орбиталь – форму гантелей, d орбиталь похожа на трехмерный четырехлепестковый цветок.

Рис 42. Форма s, p и d орбиталей ГЛАВА 2. Законы квантового мира Каждому типу орбитали соответствует определенная энер гия электрона. При переходе с одной орбитали на другую элект рон испускает излучение, характерное для соответствующего типа линий в атомном спектре, откуда, собственно, и произош ло их название:

s орбиталь соответствует “резкой” (sharp) s линии атомно го спектра;

p орбиталь соответствует “главной” (principal) p линии;

d орбиталь соответствует “диффузной” (diffuse) d линии;

f орбиталь соответствует “фундаментальной” (fundamental) f линии;

Энергетические уровни оболочек содержат в себе разное количество орбиталей. На рисунке показано относительное расположение энергетических уровней орбиталей, принадле жащих первым четырем электронным оболочкам:

Рис 43. Порядок расположения атомных орбиталей и оболочек Так, первая К оболочка содержит только одну s орбиталь.

Следовательно, на первом энергетическом уровне может “жить” либо один, либо два электрона. Вторая оболочка вклю чает не только s, но и 3 p орбитали. Здесь обитают уже 2+6= электронов и т.д. Обратите внимание на особенность 4s подобо лочки: ее энергетический уровень расположен чуть ниже 3d по доболочки.

Магнитное квантовое число (число m) отражает влияние М а г н и т н о е к в а н т о в о е ч и с л о m внешнего магнитного поля на состояние электрона и определяет ориентацию орбиталей в пространстве Электрон – это не только отрицательно заряженная части ца, но еще и миниатюрный магнит, подобный стрелке компаса www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ с северным и южным полюсами. Электрон нельзя размагнитить, но зато можно повора чивать в пространстве, воздействуя на него внешним электромагнитным полем.

m Число m также показывает максимально Рис 44. Магнитные полюсы электрона возможное число орбиталей для каждой оболочки l.

Всего на оболочке может быть:

одна s–орбиталь;

три p–орбитали;

пять d– орбиталей;

семь f– орбиталей.

Давайте теперь пристальнее посмотрим на один отдельно взятый электрон. Он, подобно планете Солнечной системы, вращается не только вокруг положительно заряженного ядра, но и вокруг собственной оси. Поэтому одной из важнейших ха рактеристик при описании электрона является его спиновое квантовое число.

Спиновое квантовое число (число s), показывает направление С п и н о в о е к в а н т о в о е ч и с л о s собственного момента вращения, который называется спином (от англ. “spin” – вращаться). Вращаться электрон может только в двух состояниях: по часовой стрелке, “спин вверх” (s=+1/2), и против часовой стрелки, “спин вниз” (s=–1/2).

Итак, принимая во внимание при веденные выше сведения, принцип запрета Паули можно переписать сле дующим образом:

Никакие два электрона в атоме не Рис 50. Спин электрона. Пару могут иметь одинаковые наборы четы электронов с противоположными спинами изображают cтрелками рех квантовых чисел.

Электронная конфигурация элемента это запись распреде Э л е к т р о н н а я к о н ф и г у р а ц и я э л е м е н т а ления электронов в атоме по оболочкам и орбиталям. Она обычно записывается для атомов в основном состоянии соглас но следующим правилам:

1. Электроны заполняют орбитали последовательно, от меньшего энергетического уровня к большему. Низшие по энергии орбитали всегда заполняются первыми.

ГЛАВА 2. Законы квантового мира Например:

Водород, атомный номер =1, число электронов = Этот единственный в атоме водорода электрон должен за нимать s орбиталь К оболочки, поскольку из всех возможных орбиталей она имеет самую низкую энергию. Электрон на этой орбитали называется 1s электрон.

Следовательно, электронная конфигурация водорода в ос новном состоянии: 1s.

2. На любой орбитали может находиться не более двух электронов, и то лишь в том случае, если они имеют противо положные спины.

Например:

Литий, атомный номер =3, число электронов = Орбиталь с самой низкой энергией – это 1s орбиталь. Она может принять на себя только два электрона с неодинаковыми спинами. Схематически это записывается так:

– запрещенное расположение спинов.

Третий электрон в атоме лития должен занимать орбиталь, следующую по энергии за самой низкой орбиталью, т.е. 2s ор биталь. Таким образом, литий имеет электронную конфигура 2 цию: 1s 2s.

3. Заполнение орбиталей одной подоболочки начинается одиночными электронами с параллельными (одинаковыми по знаку) спинами, и лишь после того, как одиночные электроны займут все орбитали, может происходить окончательное запол нение орбиталей парами электронов с противоположными спинами.

Например:

Азот, атомный номер =7, число электронов = 2 2 Азот имеет электронную конфигурацию 1s 2s 2p. Три электрона, находящиеся на 2p подоболочке, должны распола гаться поодиночке на каждой из трех 2p орбиталей. При этом все три электрона должны иметь параллельные спины.

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Разрешенная конфигурация электронов Три неразрешенные конфигурации электронов Современная наука считает все электроны стандартными, поэтому если поменять два любых электрона местами, конфигу рация системы не изменится. В таблице представлены электрон ные конфигурации элементов с атомными номерами от 1 до 20:

Атомный Элемент Электронная Атомный Элемент Электронная А т о м н ы й Э л е м е н т Э л е к т р о н н а я А т о м н ы й Э л е м е н т Э л е к т р о н н а я номер конфигурация номер конфигурация н о м е р к о н ф и г у р а ц и я н о м е р к о н ф и г у р а ц и я 1 Водород 1s1 11 Натрий 1s22s22p63s 2 Гелий 1s2 12 Магний 1s22s22p63s 3 Литий 1s22s1 13 Аллюминий 1s22s22p63s23p 4 Бериллий 1s22s2 14 Кремний 1s22s22p63s23p 5 Бор 1s22s22p1 15 Фосфор 1s22s22p63s23p 6 Углерод 1s22s22p2 16 Сера 1s22s22p63s23p 7 Азот 1s22s22p3 17 Хлор 1s22s22p63s23p 8 Кислород 1s22s22p4 18 Аргон 1s22s22p63s23p 9 Фтор 1s22s22p5 19 Калий 1s22s22p63s23p64s 10 Неон 1s22s22p6 20 Кальций 1s22s22p63s23p64s Табл 4. Электронные конфигурации первых 20 ти элементов Периодической системы Из таблицы видно, что электронные конфигурации эле ментов отличаются периодичностью, что и отображено в табли це Менделеева. Например, все элементы одного периода имеют одинаковый электронный остов (внутренние электронные обо лочки) и отличаются лишь количеством электронов, находя щихся на подоболочках с самой высокой энергией.

А все элементы, принадлежащие какой либо группе, имеют характерную для нее электронную конфигурацию высшей по энергии оболочки. Например, для I группы характерна конфи гурация Ns, где N – номер периода;

для II группы – конфигу 2 2 рация Ns, для III группы – Ns p и так далее, до группы 0(VIII), 2 все элементы которой имеют конфигурацию Ns p.

ГЛАВА 2. Законы квантового мира Группы Г р у п п ы I II III IV V VI VII VIII(0) I I I I I I I V V V I V I I V I I I ( ) Характерная s1 s2 s2p1 s2p2 s2p3 s2p4 s2p5 s2p конфигурация 2 й период 2s1 2s2 2s22p1 2s22p2 2s22p3 2s22p4 2s22p5 2s22p 3 й период 3s1 3s2 3s23p1 3s23p2 3s23p3 3s23p4 3s23p5 3s23p 4 й период 4s1 4s2 4s24p1 4s24p2 4s24p3 4s24p4 4s24p5 4s24p Табл 5. Электронная конфигурация высшей по энергии подооболочки у элементов различных групп Электронная конфигурация элементов VIII группы назы вается устойчивой, поскольку при этом внешняя оболочка их атомов заполнена полностью. Элементы этой группы получили название “инертных” или “благородных” газов, поскольку из за своей устойчивой электронной конфигурации при обычных условиях они практически не образуют химических соедине ний. Подробнее о механизме образования химических связей можно прочесть в главе, посвященной нанохимии.

Квантовые размерные эффекты В нашей вводной лекции мы познакомились с понятием ультрадисперсности и убедились, что с уменьшением размера частиц какого либо вещества его физические и химические свойства могут существенно меняться. Это происходит из за того, что ход физических процессов зависит не только от свойств самого вещества, но и от геометрии той области прост ранства, в которой они протекают – грубо говоря, от “разме ров” этой области. Для наглядной иллюстрации этой идеи при ведем следующую аналогию: представим, что в узком переулке нужно развернуться какому то транспортному средству. Оче видно, что мотоциклисту это будет сделать легче, чем водителю тяжелого КАМАЗа.

Размерные эффекты в твердых телах – это явление, наблю дающееся в условиях, когда геометрические размеры объекта сравнимы с той или иной из длин, определяющих протекание физических процессов (например, длиной свободного пробега носителя заряда, длиной волны де Бройля и т.д.).

В зависимости от размеров исследуемого образца различа ют классические и квантовые размерные эффекты, которые могут влиять практически на любые свойства вещества. Понят но, что для нанометровых объектов, где размеры частиц срав www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ нимы с де Бройлевской длиной волны электрона, характерны именно квантовые размерные эффекты, определяющие такие свойства вещества, как теплоемкость, электропроводность не которые оптические свойства и т.п.

Самым ярким представителем квантовых размерных эф фектов является туннельный эффект — явление, играющее важную роль в нанотехнологии. Сущность туннельного эффек та заключается в преодолении микрочастицей потенциального барьера в случае, когда ее полная энергия меньше высоты барь ера. Это явление чисто квантовое, ведь классическая частица не может находиться внутри потенциального барьера высоты V, если ее энергия E

Рис 21. Условная схема туннельного перехода Однако для микрочастицы этот вывод не справедлив: всле дствие соотношения неопределенностей фиксация частицы внутри барьера делает неопределенным ее импульс.

Поскольку потенциальная энергия частицы однозначно определяется ее координатой, кинетическая энергия импуль сом, а в силу соотношения неопределенностей одновременно и точно координату и импульс частицы определить невозможно, то разделение энергии на кинетическую и потенциальную в квантовой физике бессмысленно. Соответственно, появляется вероятность прохождения частицы сквозь потенциальный барьер.

Феномен туннелирования открыл в 1928 году наш соотече ственник Г. А. Гамов, впервые получив решения уравнения Шредингера, описывающие возможность преодоления части цей энергетического барьера, даже если ее энергия меньше вы ГЛАВА 2. Законы квантового мира соты барьера. Найденное решение объясняло многие экспери ментально наблюдавшиеся процессы и позволило понять боль шой круг явлений, происходящих при вылете частицы из ядра – основы атомной науки и техники. Многие считают, что за грандиозность результатов его работ, ставших основополагаю щими для многих наук, Г. А. Гамов должен был быть удостоен нескольких Нобелевских премий.

И лишь спустя тридцать лет после открытия Гамова появи лись первые приборы на основе туннельного эффекта: туннель ные диоды, транзисторы, датчики, термометры для измерения сверхнизких температур, и, наконец, сканирующие туннель ные микроскопы, положившие начало современной нанотех нологии.

Почему нельзя смешивать законы классичес кой и квантовой физики п р и н ц и п с у п е р В квантовой механике широко используется принцип супер позиции. Это означает, что результат действия двух или более п о з и ц и и волн может быть получен суммированием действий каждой из волн в отдельности. Согласно этому допущению, если кванто механическая система может находиться в нескольких состоя ниях, описываемых, соответственно, волновыми функциями, …, n, то физически допустимой будет и суперпози ция (суммирование, наложение) этих состояний, то есть состо яние, изображаемое волновой функцией где c1,c2,c3,…,cn – вероятность нахождения системы в сос тояниях, …, n соответственно. Операция суммирова ния в теории вероятности соответствует логическому “или”, а операция умножения – логическому “и”. Поэтому для просто ты восприятия суперпозицию вида c1 c2 можно читать так: система N находится в состоянии если она находится ли бо в состоянии, либо в состоянии.

Таким образом, любая сложная волновая функция может быть представлена в виде совокупности нескольких более простых функций www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Возможность состояний, в которых данная физическая ве личина не имеет определенного значения, а определяется су перпозицией вероятных состояний данной величины, является характерной чертой квантовой механики, принципиально отли чающей ее от механики классической. Описать такое “смешан ное” состояние одной частицы на языке классической механи ки невозможно.

Поэтому ошибочно рассматривать (даже теоретически) фи зические системы, в которых формально объединены как клас сические, так и квантовые объекты, поскольку такие системы некорректны для исследования – в них обнаруживаются нераз решимые противоречия. Одно из них демонстрирует предло п а р а д о к с к о ш к и женный Э.Шредингером “парадокс кошки “.

Пусть в замкнутой системе, ограниченной некоторым неп роницаемым “ящиком”, находится кошка. На кошку направ лен ствол заряженного ружья. И ружье и кошка – это класси ческие объекты. Запустим теперь в этот ящик движущуюся микрочастицу, обладающую волновыми свойствами. При попа дании этой частицы в курок ружья оно стреляет, и кошка поги бает.

Рис 47. Кошка Шредингера в непроницаемом ящике Пусть наша частица может находиться в первом квантовом состоянии, описываемом волновой функцией, и пусть в этом состоянии вероятность обнаружить частицу вблизи курка равна нулю. Это значит, что если частица находится в первом квантовом состоянии, то кошка в ящике жива.

Есть и другое состояние частицы, описываемое волновой функцией. В этом квантовом состоянии вероятность нахож дения частицы в области вблизи курка ружья очень велика и практически равна единице. Таким образом, если частица нахо дится во втором состоянии, то кошка мертва.

ГЛАВА 2. Законы квантового мира По принципу суперпозиции состояний микрочастица мо жет находиться и в состоянии, которое является суперпозици ей первого и второго состояний и описывается волновой функ цией Тот факт, что частица в таком состоянии с равной вероят ностью может быть обнаружена либо в состоянии 1, либо в сос тоянии 2, возражений не вызывает. Однако возникает ковар ный вопрос: Жива или мертва кошка в таком состоянии?

Ведь кошка не может находиться в состоянии, которое яв ляется суперпозицией жизни и смерти (то есть одновременно быть “ни живой, ни мертвой”). Так жива или мертва кошка?

Ведь если мы откроем ящик, то однозначно увидим, что кошка или жива, или мертва. И если она мертва, то когда это прои зошло? Ведь до открытия ящика уверенности в том,, что кошка мертва, не могло быть. Неужели мы убили кошку тем, что отк рыли ящик?!

На эти вопросы нет ответов только потому, что была рас смотрена некорректная система, формально объединяющая классические и квантовые объекты.

Эффекты квантовой физики, обеспечивающие реализацию эталонов основных единиц изме рения физических величин системы СИ Формально, чисто количественно, развитие нанотехноло гий можно охарактеризовать как переход человечества от мани пулирования величинами порядка “микро” (10 ) – микрометр, микроампер, микросекунда и т.д. – к величинам порядка “на но” (10 ) – нанометр, наноампер, наносекунда и т.д. Такой пе реход требует наличия новых единиц измерения физических величин и их в тысячу раз более точных эталонов.

Система единиц физических величин строится на основе физических теорий, отражающих существующие в природе вза имосвязи между ними. Это позволяет определять новые едини цы физических величин через совокупность ранее определен ных единиц, и, в конечном счете, через основные (независи мые) единицы системы. В качестве основных выбирают едини www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ цы, которые могут быть воспроизведены эталонами или эта лонными установками с наивысшей точностью, соответствую щей уровню развития науки и техники в данную эпоху.

Эталоны – это такие средства измерения, которые обеспечива Э т а л о н ы ют воспроизведение и хранение узаконенных единиц измере ния физических величин, а также передачу их размера другим средствам измерения.

Без эталонов невозможно добиться сопоставимости резуль татов измерения, выполненных в различное время при помощи разных приборов. Совокупность эталонов образует эталонную базу. В нее входят эталоны основных единиц системы СИ. Рас смотрим некоторые из них.

Эталон метра. Согласно принятому в 1960 году Генеральной конференцией по мерам и весам определению, метр – это дли на, равная 1650763,73 длины волны красно оранжевого излуче ния атома криптона 86. Эталон метра – это комплекс аппара туры, включающий интерферометры для точного измерения расстояний. Он позволяет воспроизводить метр со средним квадратическим отклонением не более 0,5 нанометра.

Атомная секунда, воспроизводимая цезиевымыми эталона ми частоты и времени, равна 9192631770 периодам излучения, соответствующего энергетическому переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия. Данный эталон позволяет воспроизводить время с точ ностью ±1·10 секунды.

Эталоны, основанные на эффекте Джозефсона. Суть эф фекта состоит в протекании сверхпроводящего тока через тон кий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника. Эф фект предсказал теоретически английский студент Б. Джозеф сон в 1962 г., за что в 1973 г. он получил Нобелевскую премию.

Эффект позволяет чрезвычайно точно измерять слабые магнит 18 ные поля (до 10 Тл), малые токи (до 10 А) и напряжение (до 10 В).

В системе СИ есть и другие эталоны, но именно эти связа ны с квантовыми эффектами и могут быть использованы для калибровки нанотехнологических средств измерения и аппара туры.

ГЛАВА 2. Законы квантового мира Квантовые точки, проволоки и плоскости Одно из промышленных применений нанотехнологий свя зано с квантовыми точками и плоскостями.

Квантовая плоскость – это многослойная твердотельная К в а н т о в а я п л о с к о с т ь структура из тонких пленок различных веществ толщиной в один атом, сложенных одна на другую. Из за малой толщины пленок в таких структурах начинают проявлять себя квантовые эффекты, которые весьма сильно воздействуют на поведение электронов внутри квантовой плоскости, что позволяет произ вольным образом менять физические и химические свойства таких веществ.

Пионером в области создания приборов на таких структу рах был русский ученый, академик Жорес Иванович Алферов, ставший в 2002 году Нобелевским лауреатом. Вслед за Нобеле вской премией Алферов получил государственную. Его работа “Фундаментальные исследования процессов формирования и свойств гетероструктур с квантовыми точками и создание лазе ров на их основе” ознаменовала первый этап нового направле ния, открывающего широкие перспективы.

Квантовые точки – это крохотные пирамидки в 50 100 ато К в а н т о в ы е т о ч к и мов одного материала, размещенные на монокристалле другого материала.

Размер одной квантовой точки составляет единицы десятки нано метров. Электронный спектр иде альной квантовой точки соответ Рис 48. Квантовая точка ствует электронному спектру оди ночного атома, хотя реальный квантовый объект при этом мо жет состоять из сотен тысяч атомов. Именно по этой причине квантовые точки называют также “искусственными атомами”.

Ввиду малости величины квантовой точки на ее основе можно строить различные полупроводниковые устройства, ис пользующие для своей работы квантовые размерные эффекты.

Лазеры нового поколения, основанные на гетеростуктурах с квантовыми точками, прекрасно работают, подтверждая ста рую истину, что в науке нет нерушимых догм. Ведь долгое вре мя считалось, что вырастить кристалл с кусочками другого ма териала внутри без дефектов невозможно. То, что сделали сот www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ рудники лаборатории Ж.И. Алферова, можно смело назвать ре волюцией в лазерной физике. Если раньше ученые, выращивая кристаллы для лазеров, вынуждены были полностью управлять процессом, то теперь ситуация иная – нужная структура растет сама!

“Все дело в новой технологии выращивания материала”, – говорит академик Алферов. – “Традиционно гетероструктур ные материалы, например, из арсенида галия и арсенида индия, получают, накладывая слой за слоем. Много лет назад, начиная эти исследования, мы наносили слои друг на друга вручную.

Эта работа требовала огромного внимания и напряжения. Но теперь мы решили эту задачу, и уже сама природа помогает нам получать в процессе выращивания различные ансамбли таких квантовых точек. Дело в том, что если правильно подобрать все параметры: температуру, скорость осаждения, соотношение по токов атомов, то кристалл вырастет без дефектов. И вырастет сам. Это позволяет радикально улучшить свойства полупровод никовых приборов, скажем, температурную стабильность ла зерных диодов”.

Один из участников работы Николай Леденцов, выступая на международном семинаре “Нанотехнологии в физике, хи мии и биотехнологии”, пошутил, что теперь, зная законы роста наноматериалов, можно и поразвлечься: расположить кванто вые точки в виде блюдец, сплести бусы из точек, создать боль шие и маленькие наноостровки. За этой шуткой большое буду щее – варьируя расположение квантовых точек, можно изме нять и корректировать свойства кристалла.

Квантовые проволоки – это совокупность квантовых точек, К в а н т о в ы е п р о в о л о к и нанесенных с помощью сканирующего микроскопа на крис таллическую подложку. Они позволяют изменять свойства кристаллов и создавать различные электропроводящие пути.

Квантовая механика и компьютер В настоящее время вычислительная техника подошла к пределу своих возможностей по быстродействию компьютеров и размеру микросхем. Масштаб порядка 0,1 микрометра опре деляет границу применимости законов классической физики, и при дальнейшем увеличении быстродействия и уменьшении ГЛАВА 2. Законы квантового мира размеров мы попадаем в наномир, где доминируют квантовые размерные эффекты. Поэтому для решения задач конструиро вания компьютеров нового поколения требуется принципиаль но новый подход.

В последние годы стала широко обсуждаться идея исполь зования квантовых эффектов для хранения и обработки инфор мации, поэтому квантовые точки привлекают все большее вни мание. Электроны в квантовой точке локализованы, поэтому энергетический спектр квантовой точки является дискретным, как у отдельно взятого атома.

Мы привыкли к тому, что ЭВМ оперирует с числами, выра женными в двоичной форме, то есть состоящими только из ну лей и единиц. На заре вычислительной техники логические элементы ЭВМ выполнялись на основе реле (ключ разомкнут – 0, ключ замкнут – 1), потом на смену реле пришли электрон ные лампы, а затем – полупроводниковые структуры. Все пере численные электронные устройства являются, по сути дела, объектами макромира, поскольку для выполнения ими своих функций требуется наличие макроскопического (многие мил лионы и даже миллиарды) числа электронов.

Давайте теперь пристальнее посмотрим на один отдельно взятый электрон. Он обладает одной удивительной характерис тикой – спином, или собственным моментом вращения. Вра щаться электрон может только в двух состояниях: “спин вверх” (S=+1/2) и “спин вниз” (S= –1/2). Такое впечатление, что сама Природа говорит нам: “Вот он, электрон, естественный кан дидат для представления чисел в двоичной форме”. Действи тельно, приписав электронам со спином вниз и вверх соответ ственно логический нуль и логическую единицу, мы можем каждой конкретной спиновой конфигурации системы электро нов поставить в соответствие определенный набор таких нулей и единиц, то есть определенное число, записанное в двоичной форме, или, другими словами, определенную информацию (при этом один электрон является носителем одного бита ин формации).

Наличия соответствия между знаком спина электрона и ло гическими переменными (нулями и единицами) недостаточно для конструирования конкретных вычислительных схем и уст ройств. Пока это лишь голая идея. Нужно придумать какие то www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ реальные способы ввода, хранения, обработки и вывода спино вой информации. И, прежде всего, нужно научиться локализо вать отдельные электроны в небольших областях пространства (чем меньше будут размеры этих областей, тем выше будет плотность информации, и тем больше логических элементов мы сможем разместить в единице объема или на единице пло щади).

На современном уровне развития технологии для этой цели как нельзя лучше подходят квантовые точки. В каждую пира мидку из атомов можно внедрить произвольное число электро нов. При этом движение электрона в квантовой точке будет ог раничено во всех трех направлениях и энергетический спектр является полностью дискретным, как в отдельном атоме.

Таким образом, дискретность электронных состояний в квантовой точке и наличие у него собственного вращательного момента – спина – могут быть использованы при конструиро вании сверхминиатюрных логических элементов, которые в скором времени, будем надеяться, станут основой нового поко ления ЭВМ. Компания HP уже провозгласила стратегию созда ния наноэлектроники на основе квантовых эффектов и молеку лярных компьютеров.

Сверхпроводимость и сверхтекучесть Собсвенным моментом вращения обладаю не только элект роны, но и другие элементарные частицы, которые в зависи мости от их спина делятся на два вида фермионы и бозоны.

Фермионами называются частицы, имеющие полуцелое значе Ф е р м и о н а м и б о з о н а м и ние спина (например, электроны), а бозонами частицы с це лым спином (например, фотоны). Принцип Паули, по которо му две одинаковые частицы не могут находиться в одном и том же состоянии, справедлив для всех фермионов, но бозоны его начисто игнорируют: в одном состоянии может находиться сколько угодно бозонов!

При глубоком охлаждении некоторых металлов электроны их атомов с противоположными спинами, превозмогая элект рическое отталкивание, объединяются в пары, называемые ку перовскими (по имени их первооткрывателя). Эти пары, в отли чие от отдельных электронов, обладают нулевым суммарным спином и поэтому являются бозонами. Такие частицы облада ГЛАВА 2. Законы квантового мира ют замечательным свойством: если температура ниже некото рого критического значения, они могут скапливаться на самом нижнем энергетическом уровне (в основном состоянии). Чем больше их там соберется, тем труднее какой либо частице вый ти из этого состояния. Все пары при этом когерентны, то есть описываются единой волновой функцией. Тогда электрический ток переносится не отдельными электронами, а куперовскими парами, то есть квантами тока с зарядом 2е (е заряд электро на). Если в обычном проводнике электроны постоянно натыка ются на дефекты кристаллической решетки, примесные атомы и т.п., мешающими прохождению тока, то с когерентными ку перовскими парами этого не происходит. Грубо говоря, они мо гут проходить через любые преграды и даже друг через дружку!

Это сводит электрическое сопротивление проводника к нулю, и, например, возбужденный в сверхпроводящем кольце ток может крутиться в нем бесконечно долго.

Электрический ток в сверхпроводнике напоминает ток, создаваемый электроном на орбите в атоме Бора: это как бы очень большая электронная орбита.

В 1911 году Камерлинг Онесс открыл сверхпроводимость ртути, а в 1957 году Бардин, Купер и Шриффер создали свою знаменитую теорию сверхпроводимости. В 1933 году Мейснер и Оксенфельд показали, что сверхпроводники полностью вытал кивают линии магнитного поля из своего объема это так на зываемый эффект Мейснера: постоянный магнит парит (леви тирует) над сверхпроводящим диском (см. фото).

Рис 49. Эффект Мейснера * * Перепечатано с www.phys.pe.kr www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Сверхпроводники позволят создать сверхмощные магниты, не требующие электрического питания, сверхчувствительные сенсоры, электронику, не нуждающуюся в охлаждении и мно гое другое. Кстати, в отличие от Шредингерова кота, электри ческий ток в сверхпроводнике вполне подчиняется квантовым законам суперпозиции различных состояний: ученым удалось создать замкнутое кольцо, по которому ток одновременно течет и по часовой, и против часовой стрелки!

При понижении температуры многие металлы и сплавы пе реходят в сверхпроводящее состояние. Этот переход происхо дит при определенной для каждого материала температуре, на зываемой критической. Однако практическое использование замечательных свойств сверхпроводников тормозится их пот ребностью в сверхнизких температурах и, соответственно, гро моздких криогенных установках. Исследования в области на номатериалов позволили создать специальные вещества (нано керамику, нанотрубки и т.п.), которые являются сверхпровод никами при сравнительно высоких температурах. Широкое распространение высокотемпературных сверхпроводников приведет к огромной экономии электроэнергии, уменьшению и удешевлению всех электрических устройств.

Объединяться в бозоны могут не только электроны. В году советский ученый П.Л. Капица открыл явление сверхтеку чести гелия. При температурах, близких к абсолютному нулю, у гелия исчезает вязкость и он становится сверхтекучим. Сверхте кучий гелий так и норовит улизнуть: если на лить его в обычный глиняный кувшин, он уте чет сквозь тончайшие поры в его структуре. Ес ли налить сверхтекучее вещество в сосуд из бо лее плотного материала, то в виде тонкой плен ки он потечет вверх по стенкам и далее опять таки через край. Его невозможно заморозить никаким понижением температуры и даже Рис 50. Сверхтекучесть нельзя создать разность температур – сверхте жидкого гелия кучесть приводит к сверхтеплопроводности.

Квантовая телепортация Издавна люди мечтали о телепортации – мгновенном пере мещении в пространстве. Герои народных сказок оказываются ГЛАВА 2. Законы квантового мира в тридевятом царстве, надев волшебное колечко, а компьютер ные игры и фантастика кишат “порталами” и “прыжками в ги перпространстве”. Ну, казалось бы, здесь то причем нанотех нология со своими пылинками?

п а р а д о к с Э й н ш т е й н а П о д о л ь с к о Известен так называемый парадокс Эйнштейна Подольско го Розена (ЭПР парадокс), заключающийся в том, что если г о Р о з е н а после взаимодействия двух квантовых частиц провести наблю дения за одной из них, то мгновенно изменятся параметры дру гой, уже далеко отлетевшей частицы. Эксперименты показали, что частицы проявляют удивительную взаимосогласованность даже на таких больших расстояниях, на которых они никак не могли бы повлиять на друга с точки зрения классической тео рии. Дело в так называемой “нелокальности” волновой функ ции для системы из нескольких частиц – несмотря на то, что частицы уже далеко друг от друга, вероятности нахождения их в том или ином состоянии остались взаимосвязанными после квантового взаимодействия. Это казалось фантастикой, пока Антон Цойлингер и Франческо де Мартини не передали состо яние поляризации между двумя фотонами при помощи третье го на расстояние 10 км.

Достигнув успехов в телепортации фотонов, эксперимента торы уже планируют работы с другими частицами: электронами, атомами и ионами. Телепортация сможет обеспечить надежную передачу и хранение данных на фоне мощных помех, когда все другие способы оказываются неэффективными. Возможно, в будущем сети квантовой телепортации получат такое же распро странение, как современные телекоммуникационные сети.

Но передачей информации на расстояние уже никого не удивишь, а как же материальные объекты? Обычно полагают, что переместить какой либо объект или даже человека – значит переместить все частицы, из которых он состоит. Но, посколь ку квантовые частицы неотличимы друг от друга, их можно не перемещать, а “собрать” телепортируемый объект из новых частиц на основе полученной информации (например, при по мощи молекулярных сборщиков – ассемблеров). Следователь но, телепортация объекта есть телепортация квантовых состоя ний частиц и воссоздание их на удаленном расстоянии.

Так можно было бы и копировать объекты, но в силу везде сущего принципа неопределенности чем больше получено ин www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ формации о некотором объекте, тем больше искажений вно сится в этот объект – и так до тех пор, пока исходное состояние не будет разрушено полностью. Как только будет считана вся нужная информация, объект исчезнет и снова появится на свет только после квантовой сборки.

Вместо заключения или некоторые замечания по поводу вероятностной интерпретации кван товых явлений Экспериментальные подтверждения справедливости кван товой механики столь убедительны, что должны были развеять всякое недоверие к ней. Но остаются сомнения в плане фило софском: хорошо известно, что Эйнштейн, Шредингер и де Бройль, которые были творцами новой механики, высказыва лись против понимания сущности теории на основе принципа неопределенности. “Бог не играет в кости”, – так Эйнштейн отзывался о вероятностной трактовке волновой функции.

Но в своей работе физики всегда имеют дело с несовершен ными теориями, справедливыми только для ограниченного круга явлений, ровно до тех пор, пока кто нибудь не открывает новые явления, вынуждающие их выходить за рамки старых те орий и строить новые. Так, две с половиной тысячи лет назад, атом считался неделимым;

вплоть до XV века человечество пре бывало в абсолютной уверенности относительно того, что Зем ля плоская. До рождения Ньютона многие природные законо мерности также описывались лишь в терминах вероятности.

В наше время пока нет ни конкретных предложений, как преодолеть рубежи квантовой механики, ни эксперименталь ных данных, указывающих на такую возможность. Но все же квантовая механика (вне всяких сомнений!) будет, в конце кон цов, превзойдена, и приоткроется перед людьми завеса неопре деленности, скрывающая сегодня тайны квантового мира.

Итак, повторим еще раз:

Разделение физики на классическую и квантовую про изошло в начале ХХ века. Оба направления решают сходные задачи (устанавливают законы взаимодействия физических тел), но различаются природой изучаемых объектов (макроте ла, субатомные частицы) ГЛАВА 2. Законы квантового мира Предпосылкой для такого разделения послужил спор между Ньютоном и Гюйгенсом, касаемо природы света. Нью тон принимал свет за поток световых частиц, а Гюйгенс – за волновой процесс. Дальнейшее развитие науки доказало, что правы. были оба физика. Разрешил данное противоречие Макс Планк, введя в 1900 году понятие “кванта”.

К в а н т ” “Квант” означает “наименьшее количество”, на кото рое может измениться дискретная физическая величина.

Суть гипотезы Планка: атомы вещества испускают светв виде отдельных порций (квантов). Энергия отдельного кванта пропорциональна частоте световой волны:

Е= ћ· где Е – энергия кванта света, называемого также фотоном;

– его частота;

ћ – 1,054·10 Дж·с – постоянная Планка.

П о с т о я н н а я П л а н к а Постоянная Планка – это квант действия, т.е. наимень шее действие, возможное в природе. Ввиду малости величины ћ, для макроскопических тел оно не проявляется. Поэтому для описания их взаимодействия достаточно законов классической физики.

Альберт Эйнштейн доказал, что свет не только испуска ется, но и поглощается квантами.

Нильс Бор сформулировал основные постулаты кванто вой физики:

1. Дискретный энергетический спектр атома оъясняется тем, что каждый электрон находятся на собственном энергети ческом уровне, соответствующем строго определенной энер гии.

2. Электроны могут переходить с одного уровня на другой, поглощая или испуская фотон. Этот принцип лежит в основе работы лазера.

г и п о т е з е д е Б р о й л я Согласно гипотезе де Бройля, каждой частице, незави симо от ее природы, следует поставить в соответствие волну, длина которой обратно пропорциональна импульсу частицы, то есть ее массе. Это значит, что для макрочастиц длина волны очень мала и их волновые свойства заметить практически не возможно.

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Бор и Гейзенберг сформулировали принципы кванто вой механики, относящиеся к проблеме точности измерений:

Принцип дополнительности Бора: нельзя точно измерить П р и н ц и п д о п о л н и т е л ь н о с т и Б о р а одну физическую величину микрообъекта без потери инфор мации о величине, дополнительной к ней.

Соотношением неопределенностей Гейзенберга: существуют С о о т н о ш е н и е м н е о п р е д е л е н н о с т е й Г е й з е н б е р г а такие пары физических величин, одновременное и точное оп ределение которых невозможно. (например, координата час тицы x и ее импульс) Поведение элементарных частиц носит вероятностный в о л н о в о й ф у н к ц и е й характер, описываемый волновой функцией. Ее математический смысл соответствует плотности распределения вероятности об наружить частицу.в определенной точке пространства Чтобы вычислить волновую функцию, нужно решить уравнение Шредингера, которое учитывает влияние внешнего у р а в н е н и е Ш р е д и н г е р а, электромагнитного поля на движение частицы, и играет в квантовом мире ту же роль, что законы Ньютона для мира классического.

п р и н ц и п у з а п р е т а П а у л и Согласно принципу запрета Паули, на каждом энергети ческом уровне атома в конкретном состоянии может находить ся только один электрон.

Г л а в н о е к в а н т о в о е ч и с л о n Главное квантовое число (n) характеризует оболочку, в которой находится электрон. Оно соответствует повышаю щимся энергетическим уровням оболочек;

О р б и т а л ь н о е к в а н т о в о е ч и с л о l Орбитальное квантовое число (l) определяет форму электронных орбиталей;

М а г н и т н о е к в а н т о в о е ч и с л о m Магнитное квантовое число (m) определяет ориентацию орбиталей в пространстве;

С п и н о в о е к в а н т о в о е ч и с л о Спиновое квантовое число (s), показывает собственный момент вращения электрона: по часовой стрелке (s=+1/2), или против часовой стрелки(s=–1/2);

К в а н т о в ы е р а з м е р н ы е э ф ф е к т ы Квантовые размерные эффекты наблюдаются в услови ях, когда геометрические размеры объекта сравнимы с характе ристиками длин, определяющих протекание физических про цессов. Квантовыми эффектами объясняются такие удиви тельные явления, как туннелирование электронов сквозь вы сокий потенциальный барьер, сверхтекучесть, сверхпроводим рость, квантовая телепортация и т.п.

ГЛАВА 2. Законы квантового мира п р и н ц и п у с у п е р п о з и ц и и Согласно принципу суперпозиции любую сложную вол новую функцию можно представить в виде совокупности более простых функций. Это принципиально квантовомеханическое явление, неприемлемое для классической физики, о чем крас норечиво говорит “парадокс кошки”.

Многие эффекты квантовой физики обеспечивают реа лизацию эталонов основных единиц измерения физических величин системы СИ.

Ввиду малости величин, с которыми ей приходится иметь дело, нанотехнология практически целиком построена на квантомеханических законах. Большое значение здесь име к в а н т о в ы е т о ч к и, п р о в о л о к и п л о с к о с т и ют квантовые точки, проволоки и плоскости, уникальные свой ства которых определяются как раз квантовыми эффектами.

астности, в последние годы стала широко обсуждаться идея ис пользования квантовых эффектов для создания компьютеров нового поколения – квантовых, где в качестве логических констант предполагается использовать значения спина элект ронов.

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Глава 3. Нанохимия и наноматериалы “Алхимики искали только золото, но открыли вместо него порох, фарфор, целебные средства и ряд законов природы”.

А. Шопенгауэр Химическая связь Каждый из нас лепил в детстве из пластилина, вырезал бу мажные фигурки и склеивал их между собой, пришивал пуго вицу… Так или иначе, все мы понимаем, что объекты окружаю щего нас мира удерживаются вместе не “абы как”, а с помощью каких то дополнительных сил. Эти силы заметно различаются в зависимости от своей природы: в одном случае это нитка, со единяющая вместе кусочки ткани, в другом – всемирное тяго тение, в третьем – клей, глина и т.п. В мире атомов и молекул роль такого универсального “клея”, связывающего их между собой, выполняет химическая связь. Природа химической связи объясняется силой электрического притяжения между отрица тельными электронами и положительными ядрами.

Химия наука о составе, строении, свойствах веществ и их Х и м и я превращениях, основанная на общих принципах физики.

Подобно тому, как разные виды клея различаются проч ностью, сила химической связи также неодинакова для разных веществ. Об этом свидетельствует наш повседневный опыт: одни вещества легко разрушаются при малейшем воздействии (напри мер, соль растворяется воде), так как связи между их атомами очень слабы. Атомы других веществ связаны сильнее, но и они поддаются деформации (например, металлы, которые можно гнуть и ковать);

третьи же вещества (алмаз) настолько прочны, что им нипочем ни сверхвысокие температуры, ни давление.

Соль, металл и алмаз являются яркими представителями трех наиболее характерных типов химической связи – ионной, металлической и ковалентной. Обратите внимание, насколько тип связей между атомами и молекулами вещества влияет на его физические и химические свойства.

Атомы вступают в химические связи с единственной целью: приобрести устойчивую электронную конфигурацию ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы (полностью заполнить свою внешнюю электронную оболочку).

Впервые эту гипотезу выдвинули в 1916 г. ученые Коссель и Ль юис, а впоследствии она была доказана и экспериментально.

В главе, посвященной квантовым явлениям, говорилось о том, что атомы так называемых “благородных газов” (гелия, не она, аргона и др.) упорно избегают химических связей. Такая “неприступность” этих элементов обусловлена тем, что каждый из них сам по себе имеет устойчивую электронную конфигура 2 2 цию. Конфигурация гелия – 1s, а остальных – Ns Np, где N – номер соответствующего химического ряда.

В отличие от инертных газов, остальные атомы имеют неус тойчивую электронную конфигурацию и охотно вступают в хи мические связи с другими элементами. Способность образовы в а л е н т н о с т ь ю вать связи называется валентностью.

Ионная связь Ионная связь представляет собой электрическое притяже ние между противоположно заряженными ионами (частицами, несущими электрический заряд).

"Ion" в переводе с греческого, означает "идущий" это " I o n " подчеркивает, что ионы движутся в электрическом поле.

Согласно гипотезам Планка и Бора, энергия каждого электрона в атоме квантована и принимает лишь определенные значения, соответствующие конкретным энергетическим уров ням (орбитам). Электроны могут переходить с одного уровня на другой, поглощая или излучая фотоны. Поглотив фотон, элект рон переходит на более высокую орбиту, а сила, связывающая его с ядром, уменьшается.

Если электрону удается полностью “освободиться” от сил притяжения ядра и покинуть атом, то происходит ионизация атома. Атом превращается в положительный ион, именуемый катионом и обозначаемый знаком “плюс”.

к а т и о н о м + g+ Na, А катионы натрия и серебра Если же атом, наоборот, принимает в себя дополнительные электроны, то их избыток превращает его в отрицательный ион а н и о н – анион, который изображается с “минусом”, например:

l C, O анионы хлора и кислорода www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Напомним, что химическая связь объясняется стремлени ем атомов приобрести устойчивую электронную конфигура цию, подобную конфигурации “ближайшего” к ним инертного газа. Рассмотрим некоторую последовательность элементов в 1 2 таблице Менделеева, среди которых имеется неон (1s 2s 2p ).

В скобках рядом с символом элемента указано число элект ронов в K, L и М оболочках.

N e (.

) F(2.7);

Ne(2.8);

Na (2.8.1) Атом натрия может приобрести устойчивую электронную конфигурацию неона, избавившись от одного электрона.

Образовавшаяся частица – положительно заряженный ион натрия.

У фтора на один электрон меньше, чем у неона. Следова тельно, если фтор присоединит один электрон (например, от атома натрия), он приобретает заполненную внешнюю оболоч ку из восьми электронов:

Между полученными частицами – анионом фтора и катио ном натрия – будет действовать сила электростатического при и о н тяжения, связывающая их между собой. Это и называется ион ной химической связью.

н о й х и м и ч е с к о й с в я з ь ю Одно из свойств ионных соединений – способность обра зовывать кристаллическую решетку, в узлах которой располо жены положительные и отрицательные ионы. Типичный представитель вещества с ионной связью – всем известная по N a C l варенная соль. Ее формула – NaCl.

Большинство ионных соединений легко разрушаются под внешним воздействием или в химических реакциях. На рисунке 52 пока зано, что происходит, если на ионный крис талл действует деформирующая сила. Не большие сдвиги в кристаллической решетке сближают одинаково заряженные ионы. При Рис 51. Модель кристаллической решетки этом силы отталкивания между одноименны хлорида натрия ми зарядами создают трещины в кристалле.

ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы Рисунок 53 хорошо иллю стрирует, что происходит с кристаллами соли, когда им приходится иметь дело с моле кулами воды. Атомы, из кото рых состоит вода имеют раз личный заряд, (кислород боль ше и тянет электронное “одея ло” на себя, что делает его от рицательнее, чем водород). По Рис 52.. Схема поведения кристаллической решетки этому атомы кислорода притя NaCl под действием деформирующей силы гивают положительно заря женные катионы натрия, а атомы водорода – анионы хлора, N a C l растаскивая кристаллическую решетку NaCl.

Рис 53. Иллюстрация процесса растворения соли вводе Ковалентная связь Ионная связь – не единственный тип химической связи. В 2 молекуле хлора Cl2 (3s 3p ) мы встречаемся с так называемой ко валентной связью между атомами. В такой связи каждый из двух атомов делится с другим одним из своих внешних электронов. При этом оба при обретают восьмой электрон в свою внеш нюю оболочку и обретают устойчивую конфигурацию. Каждую ковалентную связь удобно схематически представить Рис 54. Схема ковалентной связи палочкой (С С) или в виде точки и крести www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ ка. Каждая точка или крестик изображают электрон в валентной оболочке атома.

в а л е н т Электроны, образующие общую пару, называются валент ными. Образуя ковалентную связь, они занимают одну и ту же н ы м и орбиталь, а их спины, согласно принципу Паули, направлены в противоположные стороны. Таким образом, орбитали атомов при ковалентной связи перекрываются между собой.

Для того чтобы орбитали перекрывались, расстояние меж ду атомами должно быть очень маленьким. Этому препятству ют силы отталкивания между их ядрами. Но ковалентная связь достаточно сильна, чтобы удержать атомы в таком положении.

Благодаря этому нелегко оторвать атомы с общей орбиталью друг от друга.

Именно большая энергия ковалентной связи объясняет феноменальную прочность алмаза, в котором каждый атом углерода ковалентно связан с четырьмя другими Ковалентная связь наиболее ха рактерна для молекул, состоящих из одинаковых атомов (например, H или Cl2), либо каркасных структур (алмаз). Двойная, и, тем более, трой ная ковалентные связи прочнее обычной.

Рис 55. Структура алмаза Ионная и ковалентная связи являют ся двумя предельными случаями множества реально существующих химических связей, которые в действительности имеют проме жуточный характер. Однако можно утверждать, что некоторые соединения являются преимуще ственно ионными, а некото рые – преимущественно ковалентными.

Проводя шутливую аналогию, можно заметить, что стрем ление атомов отнять, отдать или поделить между собой элект роны, чтобы достичь электронной устойчивости, сильно напо минает социальное поведение людей, манипулирующих день гами для достижения своего комфорта (морального либо мате риального). Есть “атомы–меценаты”, вступающие в химичес кую связь путем безвозмездной отдачи “лишних” электронов. В противоположность им существуют и настоящие “рэкетиры”, которые так и норовят оторвать какой нибудь электрон у зазе ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы вавшегося соседа. Но есть и “добропорядочные граждане”, объединяющие свои электроны для совместного достижения электронной устойчивости. В подобном контексте неудиви тельно, что ковалентная связь гораздо стабильнее, чем ионная, а также обладает гораздо большей энергией (прочностью)!

Впрочем, стоит заметить, что поведение отдельных атомов во многом зависит “от обстоятельств” – в разных реакциях од ни и те же вещества (как и люди) могут вести себя совершенно по разному.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 7 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.