Презентация "Квантовая физика"

ГБПОУ КК «Крымский технический колледж»

Квантовая физика, микро- и нанотехнологии

Автор: Н.Н. Буга

Квантовая физика

— раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения.

Основные теории квантовой физики

квантовая теория поля

квантовая механика

Были созданы в первой половине XX века многими учёными, среди которых Макс Планк, Альберт Эйнштейн, Артур Комптон, Луи де Бройль, Нильс Бор, Эрвин Шрёдингер, Поль Дирак, Вольфганг Паули.

В 1900г. немецкий физик М. Планк своими исследованиями продемонстрировал, что излучение энергии происходит дискретно, определенными порциями — квантами, энергия которых зависит от частоты световой волны.

где - постоянная Планка.

Планк Макс Карл Эрнст Людвиг

В 1905 году Альберт Эйнштейн развил идеи Макса Планка о прерывистом испускании света и вывел уравнение, раскрывающее закономерности фотоэффекта.

А. Эйнштейн показал, что все закономерности фотоэффекта можно объяснить тем, что свет поглощается отдельными порциями квантами.

Альберт Эйнштейн

Часть этой энергии, равная работе выхода  , затрачивается на то, чтобы электрон мог покинуть тело. Остаток энергии образует кинетическую энергию  E e электрона, покинувшего вещество.

Соотношение называют уравнением Эйнштейна:

Опыт Резерфорда 1910 г.

В 1911 г. английский физик Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома.

Однако модель атома Резерфорда не смогла объяснить, почему атом так устойчив. Ведь, согласно законам классической физики, электрон, вращаясь на орбите, движется с ускорением, следовательно, излучает электромагнитные волны и теряет энергию. В конце концов эта энергия должна иссякнуть, а электрон должен упасть на ядро. Если бы это было так, атом смог бы существовать всего лишь 10  -8  с.

В 1913г. датский физик Н. Бор предложил более совершенную модель атома, дополнив идеи Э. Резерфорда новыми гипотезами.

Нильс Хе́нрик Дави́д Бор

Постулаты Н. Бора :

В современной трактовке:

1. Атом может находиться в ряде стационарных энергетических состояний без излучения и поглощения энергии.

2. Излучение (поглощение) энергии происходит при переходе атома из одного разрешенного состояния, в другое

3. На разрешенных состояниях момент количества движения электрона кратен целому числу

Первый постулат позволил ответить на вопрос: почему электроны при движении по круговым орбитам вокруг ядра не падают на него, т.е. почему атом остается устойчивым образованием?

Второй постулат объяснил прерывность спектра излучения электрона. Квантовые постулаты Н. Бора означали отказ от классических физических представлений, которые до этого времени считались абсолютно истинными.

Несмотря на быстрое признание, теория Н. Бора все же не давала ответов на многие вопросы. В частности, ученым не удавалось точно описать многоэлектронные атомы.

Ве́рнер Карл Ге́йзенберг  

В 20-30-е гг. В. Гейзенберг и Луи де Бройль заложили основы новой теории — квантовой механики.

Луи де Бройль

В 1924 г. Луи де Бройль , исходя из единства материального мира, выдвинул смелую гипотезу, что дуализм не является особенностью только оптических явлений, а имеет универсальный характер:

частицы вещества также обладают волновыми свойствами.

Если фотон обладает энергией E = hν и импульсом p = h/λ, то и частица (например, электрон), движущаяся с некоторой скоростью, обладает волновыми свойствами, т.е. движение частицы можно рассматривать как движение волны.

Луи де Бройль предположил, что для частиц справедливы те же самые соотношения, что и для фотона: 

где  E  и  p  – энергия и импульс фотона, 

ν  и  λ  – частота и длина волны фотона,

h  – постоянная Планка,  c  – скорость света.

Отсюда следует определение длины волны де Бройля через постоянную Планка и импульс частицы:

В отличие от фотонов, которые всегда движутся с одной и той же скоростью, равной скорости света, у частиц  импульс зависит от массы  m  и от скорости движения    по формуле

В 1926г. Э. Шредингер на основе идей Л. де Бройля построил волновую механику.

Эрвин Шрёдингер

По его мнению, квантовые процессы — это волновые процессы , поэтому классический образ материальной точки, занимающей определенное место в пространстве, адекватен только макропроцессам и совершенно неверен для микромира.

Уравнение Э. Шредингера описывает движение микрочастиц в силовых полях и учитывает их волновые свойства.

На основе этих представлений в 1927г. был сформулирован принцип дополнительности , по которому волновые и корпускулярные описания процессов в микромире не исключают, а взаимно дополняют друг друга, и только в единстве дают полное описание.

В 1927г. немецкий физик В. Гейзенберг пришел к выводу о невозможности одновременного, точного измерения координаты частицы и ее импульса, зависящего от скорости, эти величины мы можем определить только с определенной степенью вероятности.

Принцип соотношения неопределенностей Гейзенберга:

В дальнейшем квантовая теория стала базой для ядерной физики, а в 1928г. П. Дирак заложил основы релятивистской квантовой механики.

Микро- и нанотехнологии

Нанотехнология  — область прикладной науки и техники, занимающаяся изучением свойств объектов и разработкой устройств размеров порядка нанометра (по системе единиц СИ, 10 -9  метра).

Материалы, структуры и устройства нанометрового (10 -9 м) размера, а также системы из них существуют в природе много лет. 

Основные этапы в развитии нанотехнологии:

1959 г. Лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман заявляет, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все, что угодно. 1981 г. Создание Бинигом и Рорером сканирующего туннельного микроскопа - прибора, позволяющего осуществлять воздействие на вещество на атомарном уровне. 1982-85 гг. Достижение атомарного разрешения. 1986 г. Создание атомно-силового микроскопа, позволяющего, в отличие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодействие с любыми материалами, а не только с проводящими. 1990 г. Манипуляции единичными атомами. 1994 г. Начало применения нанотехнологических методов в промышленности.

Направления нанотехнологий :

1. изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов;

2. разработка и изготовление наномашин;

3. манипуляция отдельными атомами и молекулами и сборка из них макрообъектов.

Медицина .

Создание молекулярных роботов-врачей, которые "жили" бы внутри человеческого организма, устраняя или предотвращая все возникающие повреждения, включая генетические. Срок реализации - первая половина XXI века.

Эритроциты и бактерии - перевозчики нанокапсул с лекарствами

Способ доставки наночастиц с лекарствами или фрагментами ДНК (генами) для лечения клеток

Эритроциты с приклеенными к ним нанокапсулами, способными прилипать только к определённым типам клеток (больным), доставят эти капсулы клеткам-адресатам.

Геронтология.

Достижение личного бессмертия людей за счет внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестройки и улучшения тканей человеческого организма. Оживление и излечение тех безнадежно больных людей, которые были заморожены в настоящее время методами крионики. Срок реализации: третья - четвертая четверти XXI века.

Промышленность.

Замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул. Срок реализации - начало XXI века

Нанотрубки делают полимерные материалы более прочными

Нановолоски делают поверхность чистой.

Слева - капля не смачивает поверхность, состоящую из нановолосков, и поэтому не растекается по ней. Справа – схематическое изображение поверхности, похожей на массажную щётку; тэта - краевой угол, величина которого говорит о смачиваемости поверхности: чем больше тэта, тем меньше смачиваемость.

Сельское хозяйство.

Замена природных производителей пищи (растений и животных) аналогичными функционально комплексами из молекулярных роботов. Они будут воспроизводить те же химические процессы, что происходят в живом организме, однако более коротким и эффективным путем.

Такое "сельское хозяйство" не будет зависеть от погодных условий и не будет нуждаться в тяжелом физическом труде. А производительности его хватит, чтобы решить продовольственную проблему раз и навсегда.

Срок реализации – вторая - четвертая четверть XXI века.

Биология

Станет возможным внедрение наноэлементов в живой организм на уровне атомов. Последствия могут быть самыми различными - от " восстановления " вымерших видов до создания новых типов живых существ, биороботов. Срок реализации: середина XXI века.

Нанотехнологии в криминалистике.

Отпечаток пальца на бумаге и тот же после контрастирования с помощью золотых наночастиц, прилипших к жирным следам бороздок, оставшимся на бумаге.

Экология

Полное устранение вредного влияния деятельности человека на окружающую среду.

• Во-первых, за счет насыщения экосферы молекулярными роботами-санитарами, превращающими отходы деятельности человека в исходное сырье;
• а во-вторых, за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы. Срок реализации: середина XXI века.

Освоение космоса

По-видимому, освоению космоса "обычным" порядком будет предшествовать освоение его нанороботами.

Огромная армия роботов-молекул будет выпущена в околоземное космическое пространство и подготовит его для заселения человеком - сделает пригодными для обитания Луну, астероиды, ближайшие планеты, соорудит из "подручных материалов" (метеоритов, комет) космические станции.

Это будет намного дешевле и безопаснее существующих ныне методов.

Кибернетика

Произойдет переход от ныне существующих планарных структур к объемным микросхемам, размеры активных элементов уменьшаться до размеров молекул. Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцовых величин. Получат распространение схемные решения на нейроноподобных элементах. Появится быстродействующая долговременная память на белковых молекулах, емкость которой будет измеряться терабайтами. Станет возможным "переселение" человеческого интеллекта в компьютер. Срок реализации: первая - вторая четверть XXI века.

Гибкий дисплей из нанотрубок.

гибкий дисплей с изображением Леонардо де Винчи.

матрица гибкого дисплея на основе нанорубок;

Безопасность нанотехнологий ?

В США на конец июля 2007 г. по крайней мере 300 видов потребительских товаров, включая солнцезащитные кремы, зубные пасты и шампуни, делаются с использованием нанотехнологий. FDA пока разрешает продавать их, не снабжая специальной наклейкой «Содержит наночастицы». В то же время многие исследователи утверждают, что проникая внутрь такие наночастицы могут вызывать воспалительные или иммунологические реакции. Поэтому в какой-то мере, вступая в эру нанотехнологий мы ставим себя на место подопытных морских свинок. ( NewScientist.com, 26 July, 2007 )

Нанотехнологии уже давно вокруг нас

Антимикробное покрытие из наночастиц TiO2 и Ag

Простыни с наночастицами Ag, обладающие бактерицидным и противогрибковым действием

Антимикробные раневые повязки с наночастицами Ag, обладающие бактерицидным действием

Солнцезащитный крем с наночастицами ZnO - не липкий и прозрачный

Баллончик, распыляющий стерилизующую взвесь из наночастиц Ag