6Я лекция

В 1927 году Николас Бор сформулировал принцип дополнительности, это принципиальное положение квантовой механики. Из него следует получение экспериментальной информации об одних физических величинах, которые описывают микрообъект, неизбежно связанно с потерей информации о других величинах, дополнительных к первым. Такими взаимно дополнительными величинами можно считать, например координату частицы и ее импульс. Отличительной особенностью квантовой теории является необходимость вероятностного подхода к описанию микрочастиц.

В 1926 году немецкий физик Макс Горн предположил, что по волновому закону меняется не вероятность обнаружения частицы в некоторых точках пространства, а амплитуда вероятности, которая была названа волновой функцией. Описание состояния микрообъекта с помощью волновой функции имеет статистический характер.

Квадрат модуля волновой функции определяет вероятность нахождения частицы в данный момент времени в определенном ограниченном пространстве.

Основное уравнение квантовой теории было сформулировано австрийским физиком Эрвином Шредингером, и как и многие уравнения оно постулируется.

Строение атома

Современные представления о строение атомного ядра

Ядро состоит из нуклонов (p – из кварков, N).

Кварк – фундаментальная частица, которая обладает электрическим зарядом, кратным 1/3 заряда электрона (по модулю). Эта частица входит в состав адронов.

Адроны – класс элементарных частиц, которые подвергаются сильному взаимодействию.

P – состоит из 2х u-кварков с зарядом 2/3 и одного d-кварка с зарядом 1/3. Эти кварки связаны глюонным полем.

Глюоны – элементарные частицы, ответственные за взаимодействия кварков.

N – состоит из 1 u-кварка и 2х d-кварков.

Нано-наука и нано-технологии

Нано-наука – совокупность знаний о фундаментальных свойствах веществ в нано-метровом масштабе. Результаты нано-науки реализуются в нано-технологиях путем создания новых материалов, функционирующих устройств и структур, которые используют молекулярный, атомный и нано-метр уровень.

Нано – метр= м

1 акстрем =

Одно из основных направлений нано-науки становится нано-химия.

Главная причина – исследования нано-частиц различных элементов периодической системы элементов, открывающих новые направления в химии, которые не описываются ранее изученными закономерностями. Это связано с тем, что подобные образования (н-частиц Ме) содержат около 10 атомов, которые образуют поверхностную частицу, практически не имеющую объема, но обладающую очень высокой химической активностью.

В то же время, известно, что химические свойства и активность частицы можно изменить добавлением 1-ого атома или молекулы.

Выявление особенностей влияния размера или количества атомов в частице на физико-химические свойства и реакционную способность представляют собой одну из наиболее фундаментальных проблем современной химической науки.

Нано-частица – объект размером от 1 – 10 нано-метров, который состоит из атомов одного элемента или нескольких.

Предполагают, что это плотно упакованные частицы с произвольной внешней формой и структурной организацией. Изучение различных свойств отдельных нано-частиц составляет первое из направлений нано-науки. Другое направление связано с изучением расположения атома внутри структуры, которая сформирована из нано-частиц.

Методы получения нано-частиц:

• Подход снизу – путем укрупнения отдельных атомов. Характерен для химических способов получения нано-частиц. Позволяет рассматривать единичную как нижнюю границу нано-частиц. Верхняя граница – такое количество атомов в нано-частицах, при дальнейшем увеличении которого не происходит качественных изменений химических свойств, и они становятся аналогичны свойствам металлов, поэтому количество атомов, которое определяет верхнюю границу для нано-частиц индивидуально.

• Подход сверху – различные варианты диспергирования (измельчение твердых частиц). Характерен для физических методов получения нано-частиц.

Принципиально важно, что структура нано-частиц одного и того же размера, но полученных разным путем различна.

При диспергировании компактных материалов до нано-размеров в частицах, как правило, сохраняется структура исходного образца. Частицы, полученные в результате агрегации атомов, могут иметь другое строение.

В последнее время внимание уделяется не только размерам нано-частиц, но и их форме (нано-частицы Металлов). Форма может зависеть от метода получения.

Форма может быть:

• Сферическая

• Цилиндрическая

• Кубическая

• Нано-стержневая

• Тонкие пленки

• Нано-трубки

• Нона-проволоки

• Нано-пояса

• Нано-ленты

½ 80кг – фуллерены – классически считается фуллерен, содержат 60 атомов углерода. Сфера, на поверхности которой 6-членные кольца, связаны между собой 5-членными циклами. На основе формы созданы соединения, которые обладают сверхпроводимостью, а также вещества, которые по упругости и твердости превосходят алмазы.

Скачок в нано-технологии был сделан после открытия нано-трубок. Они представляют собой результат свертывания простых атомных сеток графита в бесшовные цилиндры (односложные/многосложные). Внутренне строение углерода нано-трубок изменяется от 0,4 до нескольких нано-метров. В объемы внутренней полости нано-трубки могут входить другие вещества. Особенности строения углеродистых нано-трубок приводит к тому, что их химический свойства отличаются и от графита, и от фуллерена.

Фуллерены имеют небольшой внутренний объем и в нем могут поместиться лишь несколько атомов других элементов, а углерод нано-трубок имеет больший объем. Внутренности полости нано-трубок могут быть заполнены либо в процессе их синтеза, либо уже после их получения. Вещества (внутренности) могут участвовать в различных химических реакциях.

В 2010 Новосёлов и Атейн получили Нобелевскую премию по физике за опыты с графеном – двумерным кристаллом. Графен состоит из единичного слоя атомов углерода, атомы собраны в гексагон решетку.

Применение нано-частиц в науке и технике

Нано-частицы металлов используются для получения новых керамических материалов, ультрадисперсных порошков, в лазерной технике и т.д.

!Углеродистые нано-трубки применяются в виде массивных изделий, а также в виде миниатюрных устройств.

Множество трубок в качестве наполнителя для композитных материалов (массивных), для получения источников тока, аккумуляторов газа, абсорбентов, при изготовлении электронных устройств, сенсоров и т.д.

Углеродистые нано-трубки аккумулируют водород ( ).

Нано-трубки можно рассматривать, как своеобразные химические реакторы. Реакции, которые протекают в них отличаются от реакций в обычных условиях.