Экзаменационные вопросы.

1. Переход от микротехнологии к нанотехнологии Поступательное развитие науки, техники и технологии позволило в последнее время практически, а не на словах и прогнозах, перейти к освоению нанометрового диапазона размеров объектов человеческой деятельности. Появилась и оформилась соответствующая наука - нанотехнология (хотя надо признать, что на словах она появилась гораздо раньше, чем на практике). Значительное внимание стало уделяться проблемам, возникающим при создании и исследовании наноразмерных структур в различных областях науки и техники. Развитие нанотехнологии и наноэлектроники приводит к необходимости уже не на словах, а промышленно осваивать нанометровый диапазон размеров элементов. В достаточно далеком будущем очень хотелось бы разработать практически реализуемые технологии, позволяющие оперировать отдельными атомами или молекулами и осуществить в промышленных масштабах принципы атомной и молекулярной сборки.

2. Отличие наномира от мира классической физики и от мира квантовой механики

Наномир расположен на границах классической физики и квантовой механики, поэтому его объекты нельзя рассматривать как абсолютно одинаковые и статистически неразличимые, как в мире квантовой механики. Нельзя также пользоваться интегральным подходом, который характерен для классической физики. Наличие локальных областей с разными свойствами нельзя игнорировать. Все наночастицы и нанообъекты индивидуальны. Одна на- ночастица отличается от другой составом, строением и множеством других параметров, поэтому невозможно иг- норировать наличие неоднородностей и нерегулярностей в структуре объекта и пользоваться для его описания средними, интегральными характеристиками, как это принято в классической физике. Многие процессы, характер- ные для наномира, происходят в условиях, весьма далеких от равновесного состояния. Объекты наномира чаще всего представляют собой открытые системы, обменивающиеся с внешней средой веществом, энергией и инфор- мацией. Для описания процессов и физических явлений, протекающих в наномире, необходимо использовать ап-парат нелинейной динамики. Для исследования объектов наномира надо использовать понятия и методы фрак- тальной физики.

3. Реальные перспективы нанотехнологий Перспективы использования нанотехнологий

§ В машиностроении ‑ увеличение ресурса режущих и обрабатывающих инструментов с помощью специальных покрытий и эмульсий, широкое внедрение нанотехнологических разработок в модернизацию парка высокоточных и прецизионных станков. § В двигателестроении и автомобильной промышленности ‑ за счет применения наноматериалов, более точной обработки и восстановления поверхностей можно добиться значительного (до 1,5-4 раз) увеличения ресурса работы автотранспорта.

§ В электронике и оптоэлектронике ‑ расширение возможностей радиолокационных систем за счет применения фазированных антенных решеток с малошумящими СВЧ-транзисторами на основе наноструктур и волоконно-оптических линий связи с повышенной пропускной способностью с использованием фотоприемников и инжекционных лазеров на структурах с квантовыми точками; § В информатике ‑ многократное повышение производительности систем передачи, обработки и хранения информаци. § В энергетике (в том числе атомной) ‑ наноматериалы используются для совершенствования технологии создания топливных и конструкционных элементов.

§ В сельском хозяйстве ‑ применение нанопрепаратов стероидного ряда, совмещенных с бактериородопсином, показало существенное (в среднем 1,5-2 раза) увеличение урожайности практически всех продовольственных (картофель, зерновые, овощные, плодово-ягодные) и технических (хлопок, лен) культур, повышение их устойчивости к неблагоприятным погодным условиям

§ В здравоохранении ‑ нанотехнологий обеспечивают ускорение разработки новых лекарств, создание высокоэффективных нанопрепаративных форм и способов доставки лекарственных средств к очагу заболевания

§ В экологии ‑ перспективными направлениями являются использование фильтров и мембран на основе наноматериалов для очистки воды и воздуха, опреснения морской воды, а также использование различных сенсоров для быстрого биохимического определения химического и биологического воздействий, синтез новых экологически чистых материалов, биосовместимых и биодеградируемых полимеров, создание новых методов утилизации и переработки отходов.

4. Понятие континуума Конти́нуум в физике обозначает некоторую сплошную среду, в которой исследуются процессы/поведение этой среды при различных внешних условиях. Вводится на основании гипотезы сплошности, в рамках которой пренебрегают структурой исследуемых тел и сред, усредняя их микроструктурные характеристики по физически малому объёму. Непрерывным континуумом можно считать как обычные материальные тела, так и различные поля, например, электромагнитное поле.

5. Основные понятия квантовой механики. Волновой дуализм Де Бройля. Ква́нтовая меха́ника — раздел теоретической физики, описывающий физические явления, в которых действие сравнимо по величине с постоянной Планка. Основными понятиями квантовой кинематики являются понятия наблюдаемой и состояния. Ква́нтовая наблюда́емая ) является линейным самосопряжённым оператором, действующим на сепарабельном (комплексном) гильбертовом пространстве чистых состояний квантовой системы. Квантовое состояние — любое возможное состояние, в котором может находиться квантовая система.   Корпускулярно-волновой дуализм – свойство любой микрочастицы обнаруживать признаки частицы (корпускулы) и волны.  Импульс фотона даётся формулой р = h/λ, где λ – длина электромагнитной волны, а h – постоянная Планка. Эта формула сама по себе – свидетельство дуализма. В ней слева – импульс отдельной частицы (фотона), а справа – длина волны фотона. 

6. Принцип неопределенности Гейзенберга. Если имеется несколько (много) идентичных копий системы в данном состоянии, то измеренные значения координаты и импульса будут подчиняться определённому распределению вероятности — это фундаментальный постулат квантовой механики. Измеряя величину среднеквадратического отклонения Delta x координаты и среднеквадратического отклонения Delta p импульса, мы найдем что: Delta x Delta p больше или равно ħ/2

где ħ — приведённая постоянная Планка.

Отметим, что это неравенство даёт несколько возможностей — состояние может быть таким, что x может быть измерен с высокой точностью, но тогда } p будет известен только приблизительно, или наоборот p может быть определён точно, в то время как x — нет. Во всех же других состояниях и x, и } p могут быть измерены с «разумной» (но не произвольно высокой) точностью.

Волновая функция. Уравнение Шрёдингера. Волновая функция (или вектор состояния) – комплексная функция, описывающая состояние квантовомеханической системы. Её знание позволяет получить максимально полные сведения о системе, принципиально достижимые в микромире. Так с её помощью можно рассчитать все измеряемые физические характеристики системы, вероятность пребывания её в определенном месте пространства и эволюцию во времени. Волновая функция может быть найдена в результате решения волнового уравнения Шредингера. Уравнение Шредингера — основное уравнение нерелятивистской квантовой механики, описывающее динамику частиц.   

Волновые функции свободных частиц Волновая функция свободной частицы неограниченно простирается в пространстве и имеет тем меньшую длину волны, чем больше кинетическая энергия. Причину такой зависимости длины волны легко установить, если рассмотреть связь кривизны функции и энергии. По мере увеличения кривизны волновой функции она становится более изогнутой и начинает быстрее осциллировать между положительным и отрицательным значениями своей амплитуды, а быстрая смена знака представляет собой не что иное, как уменьшение длины волны функции.

Квантование энергии частица в потенциальном ящике.

7. Туннельный эффект Туннельный эффект, туннели́рование — преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера. Туннельный эффект — явление исключительно квантовой природы, невозможное и даже полностью противоречащее классической механике. Аналогом туннельного эффекта в волновой оптике может служить проникновение световой волны внутрь отражающей среды (на расстояния порядка длины световой волны) в условиях, когда, с точки зрения геометрической оптики, происходит полное внутреннее отражение. Явление туннелирования лежит в основе многих важных процессов в атомной и молекулярной физике, в физике атомного ядра, твёрдого тела и т. д.

Квантовое состояние и вырождение

8. Принцип запрета Паули При́нцип Па́ули (принцип запрета) — один из фундаментальных принципов квантовой механики, согласно которому два и более тождественных фермиона не могут одновременно находиться в одном квантовом состоянии. (Фермион, ферми-частица, частица или элементарное возбуждение квантовой системы многих частиц – квазичастица, обладающая полуцелым спином.) Принцип Паули можно сформулировать следующим образом: в пределах одной квантовой системы в данном квантовом состоянии может находиться только одна частица, состояние другой должно отличаться хотя бы одним квантовым числом.

Энергетические зоны. Энергетические зоны - совокупность возможных значений энергии валентных электронов в кристаллах.

Энергетические зоны:

- состоят из большого, но конечного числа очень близких уровней энергии; и

- разделены интервалами запрещенных значений энергии электронов (запрещенными зонами).