 |
Сканирующий туннельный микроскоп
|
|
|
|
Электромагнитная картина мира
-теория электромагнетизма Фарадея
-теория эл. поля Максвелла
- электронная теория в-ва Лоренца
- СТО Эйнштейна
Характерные особенности:
· Материя – единое непрерывное э/м поле с точечными силовыми центрами – эл. зарядами. Взаимодействие между эл. зарядами осуществляется через поле
· Концепция реляционных про-ва и времени: про-во и время связаны с движениями, происходящими в поле, они не самостоятельны, зависят от материи
· Движение в ЭКМ – это распространение э/м волн в средах, которые обладают эл или магнит свойствами
· Принцип близкодействия – взаимодействие передается полем от точки к точке непрерывным образом с конечной скоростью, не превышающей скорости света в вакууме
· В ЭКМ введено понятие «вероятность», но оно носит частный характер
Квантово-полевая картина мира
-гипотеза Планка, - квантовая механика Гейзенберга, Шредингера, Дирака
- квантовая теория атома и функциональных принципов Бора
Характерные особенности:
· Материя обладает корпускулярно-волновым дуализмом, т.е. каждый элемент материи имеет св-ва как частицы, так и волны
· Для описания объектов исследования применяются пространственно-временные (отражают кинематическую картину движения)и энергетическо-импульсные (динамическую, т.е. причинную) характеристики. Пространство-время и причинность считаются относительными и зависимыми
· Движения – частный случай взаимодействия. Фундаментальные физические взаимодействия: сильное, слабое, гравитационное, эл/магнит
· Принцип близкодействия - взаимодействия передаются соответствующими квантовыми полями от точки к точке с конечной скоростью, не превышающей скорость света
|
|
|
· Закономерности квантовых процессов носят вероятностный характер и отражаются в виде статистических законов
Достижения современного естествознания
- разработка общей теории относительности (теория гравитации) (А. Эйнштейн, 1916 г.);
- появление модели расширяющейся Вселенной (А. Фридман, 1922 г.);
- разработка основ квантовой механики (В. Гейзенберг, Э. Шрёдингер, П. Дирак, 1925−1928 гг.);
- открытие нейтрона (Д. Чедвик, 1932 г.);
- создание кибернетики (Н. Винер, 1948 г);
- построение модели молекулы ДНК (Д. Уотсон, Ф. Крик, 1953 г.);
- открытие структуры генетического кода (М. Ниренберг, Х. Корана и др., 1961 г.), появление генной инженерии;
- разработка и первые успехи нанотехнологий (2004 г.).
Цель нанотехнологий – управление поведением отдельных наночастиц – атомов, молекул, молекулярных систем. В сферу нанотехнологии попадают объекты, размеры которых хотя бы в одном из направлений сравнимы с дебройлевской длиной волны электрона в кристалле (1…100 нм).
Объекты нанотехнологий, имеющие кристаллическую структуру, получили название нанокристаллов. К ним относятся квантовые ямы, квантовые нити и квантовые точки. Основная особенность таких структур – квантование энергии находящихся в них электронов связано с пространственным ограничением их движения в одном, двух или трех направлениях.
Фуллерены – сложные молекулы сферической формы, образованные плоскими пятиугольниками из атомов углерода.
Нанотрубка представляет собой цилиндрическую поверхность, образованную правильными шестиугольниками из атомов углерода. Протяженность этих трубок может достигать нескольких сантиметров. В зависимости от условий получения они могут иметь открытые или закрытые торцы. Может обладать проводящими или полупроводниковыми свойствами. Нанотрубка может рассматриваться как квантовая нить, или квантовая проволока.
Применения квантовых точек
|
|
|
· На основе квантовых точек создаются новые виды полупроводниковых лазеров, создание сверхмалых лазеров, способных оперировать отдельные живые клетки.
· В информационных технологиях (память на квантовых точках, дисплеи на квантовых точках и др.).
· Одноэлектроника – создание экономичных наноустройств, срабатывающих при перемещении одного электрона.
· Медицина (анализ кровеносных сосудов, ранняя диагностика онкологических заболеваний).
Применение углеродных нанотрубок:
· Холодные катоды
· Использование в электронике. На основе нано-трубок уже созданы выпрямители, транзисторы, осцилляторы нанометровых размеров
· перспективы в медицине, в частности, при создании мозговых имплантантов
· являются полыми внутри и могут служить идеальными контейнерами (капсулами) для молекул других веществ
Сканирующий туннельный микроскоп
Принцип работы: к поверхности проводящего образца на характерное межатомное расстояние, составляющее доли нанометра, подводится очень тонкое металлическое острие (игла, она же зонд).
При приложении между образцом и иглой разности потенциалов U ~ 0,1…1 В в цепи появляется ток, обусловленный туннелированием электронов через зазор d. Туннельный ток составляет ~ 1…10 нА.
Существуют два режима работы СТМ: режим постоянной высоты и режим постоянного тока. При работе в режиме постоянной высоты острие иглы перемещается в горизонтальной плоскости над исследуемой поверхностью. Туннельный ток при этом изменяется и по этим изменениям легко может быть определен рельеф поверхности образца. При работе в режиме постоянного тока (используется система обратной связи, которая поддерживает постоянным туннельный ток за счет перемещения острия иглы в вертикальном направлении. В этом случае информация о рельефе поверхности получается на основании данных о перемещении иглы. Плотность туннельного тока можно вычислить как: 
,где 
- масса электрона, 
, где 
- работа выхода для металла острия, 
- работа выхода для металла поверхности, z - ширина потенциального барьера между острием и поверхностью.
Под системой принято понимать упорядоченное мн-во взаимосвязанных элементов. Связи между элементами образуют ее структуру.
|
|
|
Структурные уровни организации материи в неживой природе: элементарные частицы→ атомы →молекулы→ поля и физический вакуум→ макротела→ планеты и их системы→ звезды и их системы→ галактики и их объединения (метагалактики).
Микромир – область предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых материальных микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется в диапазоне от 10-8 до 10-16 см, а время жизни – от бесконечности до 10-24 с. Сюда относятся поля, элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы.
Макромир – мир материальных объектов, соизмеримых по своим масштабам с человеком и его физическими параметрами. На этом уровне пространственные величины выражаются в мм, см, м и км, а время – в секундах, минутах, часах, днях и годах. Макромир представлен веществами в различных агрегатных состояниях, живыми организмами, человеком и продуктами его деятельности, т.е. макротелами.
Мегамир – сфера огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в которой измеряется астрономическими единицами, световыми годами и парсеками, 
, а время существования космических объектов – миллионами и миллиардами лет. К этому уровню материи относятся наиболее крупные материальные объекты: звезды, галактики и их скопления.
Физический вакуум – особая форма существования материи.
П. Дирак определил «вакуум» как такое состояние квантовомеханической системы, когда все уровни с отрицательной энергией уже заселены электронами, а положительные энергетические уровни свободны.
|
|
|
