Материал: Нанотехнологии для всех (Рыбалкина), 2005, c.444

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)

118

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”.

“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– 1,054·1034 Дж·с – постоянная Планка.

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.

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.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Бор и Гейзенберг сформулировали принципы кванто вой механики, относящиеся к проблеме точности измерений:

Принцип дополнительности Бора: нельзя точно измерить одну физическую величину микрообъекта без потери инфор мации о величине, дополнительной к ней.

Соотношением неопределенностей Гейзенберга: существуют такие пары физических величин, одновременное и точное оп ределение которых невозможно. (например, координата час тицы x и ее импульс)

Поведение элементарных частиц носит вероятностный 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 электромагнитного поля на движение частицы, и играет в квантовом мире ту же роль, что законы Ньютона для мира классического.

Согласно принципу запрета Паули, на каждом энергети ческом уровне атома в конкретном состоянии может находить ся только один электрон.

Главное квантовое число (n) характеризует оболочку, в которой находится электрон. Оно соответствует повышаю щимся энергетическим уровням оболочек;

Орбитальное квантовое число (l) определяет форму электронных орбиталей;

Магнитное квантовое число (m) определяет ориентацию орбиталей в пространстве;

Спиновое квантовое число (s), показывает собственный момент вращения электрона: по часовой стрелке (s=+1/2), или против часовой стрелки(s=–1/2);

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.

120

ГЛАВА 2. Законы квантового мира

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 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.

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 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

122