Шпаргалка по "Концепциям современного естествознания"

• Для создания соединений между биологическими нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках.

• Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки.

• Оптические применения: дисплеи, светодиоды.

• Медицина (в стадии активной разработки).

• Одностенные нанотрубки (индивидуальные, в небольших сборках или в сетях) являются миниатюрными датчиками для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью — при адсорбциина поверхности нанотрубки молекул её электросопротивление, а также характеристики нанотранзистора могут изменяться. Такие нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях.

• Трос для космического лифта: нанотрубки, теоретически, могут держать огромный вес — до тонны на квадратный миллиметр. Однако, получить достаточно длинные углеродные трубки с толщиной стенок в один атом не удавалось до сих пор , из-за чего приходится использовать нити, сплетённые из относительно коротких нанотрубок, что уменьшает итоговую прочность.

• Листы из углеродных нанотрубок можно использовать в качестве плоских прозрачных громкоговорителей, к такому выводу пришли китайские учёные

• Искуственные мышцы. Путем введения парафина в скрученную нить из нанотрубок международной команде ученых из университета Техаса удалось создать искуственную мышцу, которая в 85 раз сильнее человеческой

• Генераторы энергии и двигатели. Нити из парафина и углеродных трубок могут поглощать тепловую и световую энергию и преобразовывать ее в механическую. Опыт показывает, что такие нити выдерживают более миллиона циклов скручивания/раскручивания со скоростью 12.500 об/мин или 1.200 циклов сжатия/растяжения в минуту без видимых признаков износа.Такие нити могут применятся для выработки энергии из солнечного света.

13. Кратко опишите, что представляет в современном понимании такая сущность, как электрон. Какую форму принимает его движение?

Находящийся в атоме электрон являет собой круглое твердое тело (шарик). В соответствии с механикой Ньютона, и «планетарной» моделью его перемещения, электрон в атоме может участвовать в двух видах движения: в орбитальном движении относительно ядра (то есть в движении по орбите, подобно тому, как Земля движется вокруг Солнца) и в собственном вращательном движении (то есть, вращаясь вокруг своей оси). Соответственно, для полного описания состояния электрона в атоме в таком гипотетическом случае необходимо было бы знать следующие четыре параметра:

1. Энергию электрона;

2. Величину орбитального  момента количества движения;

3. Направление орбитального  момента количества движения;

4. Направление собственного  момента количества движения.

Второй и третий параметры характеризуют движение электрона относительно ядра, а четвёртый описывает собственное вращательное движение электрона.

14. Корпускулярно-волновой дуализм у электрона – что это? Поясните. Приведите основные физические понятия и формулы, описывающие его.

Корпускуля́рно-волново́й дуали́зм (или Ква́нтово-волново́й дуали́зм) — принцип, согласно которому любой объект может проявлять как волновые, так и корпускулярные свойства. Был введён при разработке квантовой механики для интерпретации явлений, наблюдаемых в микромире, с точки зрения классических концепций. Дальнейшим развитием принципа корпускулярно-волнового дуализма стала концепция квантованных полей в квантовой теории поля.

15. Кратко сформулируйте, как описывают в настоящее  время состояние электрона.

В квантовой теории для полного описания состояния электрона в атоме используются следующие 4 параметра.

1. Главное квантовое число соответствует порядковому номеру электронного слоя и характеризует величину энергии электрона;

2. Орбитальное (побочное) квантовое число l характеризует форму электронной орбитали (и, соответственно, энергетические подуровни) при заданном значении главного квантового числа n.

3. Магнитное квантовое число mI характеризует ориентацию орбитали в пространстве и может принимать значения целых чисел от – до +l, в том числе и значение 0 (ml = -l … 0 … l).

4. Спиновое квантовое число ms характеризует различие состояний двух электронов, принадлежащих одной орбитали, в зависимости от ориентировки их собственных моментов количеств движения.

 

16. Физическая  сущность явления диффузии. Приведите  примеры.

Для получения более высокого вакуума применяют диффузионные, адсорбционные, криогенные, геттерные и другие насосы.

В основе процессов откачки лежат два свойства газов: 1) способность газа занимать весь предоставленный ему объем; 2) способность газов проникать друг в друга (взаимная диффузия). Первое свойство используется в механических насосах, второе — в диффузионных.

Действие диффузионного насоса основано на том, что пары какой-либо жидкости, вырываясь с большой скоростью из сопла 1 (рис. 2), уносят с собой продиффундировавшие в них молекулы откачиваемого газа. Для устранения обратного потока газа в откачиваемый сосуд 2 диффузия должна проходить в область пониженного (по сравнению с атмосферным) давления, создаваемого форвакуумным насосом. Диффузионные насосы позволяют производить разрежение газа от 10 до 10-7 мм рт. ст.

 

19) Траектории  движения микрочастиц в квантовой  механике (микромире) – как они  представляются? Что такое орбиталь?  Что называют граничной поверхностью орбитали? Что она характеризует?

 

В квантовомеханической модели атома, на смену движущихся вокруг ядра электронов, пришли пространственные стоячие волны, когда движущемуся вокруг ядра электрону отвечает волна . При этом кратное целое число этих   длин волн  должно соответствовать длине орбиты. Одним из фундаментальных положений квантовой механики, которое обусловлено волновыми свойствами движущихся частиц, является невозможность точной локализации движущейся частицы в определенной точке пространства (иначе, нельзя определить ее местонахождение). В связи с этим такие привычные для классической механики понятия, как положение (координаты частицы) и траектория ее движения, в квантовой механике для микрочастицы, какой является электрон, не имеют смысл, хотя в ней сохраняют свое значение такие понятия, как масса, импульс и момент импульса частицы. Движение микрочастицы описывается с помощью особого уравнения (Шредингера), в котором учитываются ее волновые свойства. Это уравнение не определяет точно положение или траекторию движения микрочастицы, но дает возможность установить вероятность ее обнаружения в тех или иных точках заданного пространства. Записывая в математическом виде представление микрообъектов с учетом их волновых свойств,  можно сказать, например, что электрон при движении «размазывается» в пространстве как некоторый волновой процесс и, наоборот, собирается в материальную точку при взаимодействии с веществом и полем.  Пространство вокруг ядра, в котором нахождение электрона наиболее вероятно называют орбиталью. С математической точки зрения орбиталь – это волновая функция, описывающая состояние электрона. Эта функция определяет форму поверхностей, ограничивающих пространство, в котором вероятность нахождения электрона составляет не менее 90. Поверхность, охватывающая ядро атома, за пределом которой вероятность пребывания электрона исчезающе мала, называют граничной поверхностью орбитали. Эта поверхность передаёт форму орбитали при графическом его изображении

 

20. В естествознании в современной квантовой теории для полного описания состояния электрона в атоме используются следующие 4 параметра:  КАКИЕ? Кратко поясните их

В квантовой теории для полного описания состояния электрона в атоме используются следующие 4 параметра.

1. Главное квантовое число соответствует порядковому номеру электронного слоя и характеризует величину энергии электрона; может принимать значения 1, 2, 3, 4, 5 , 6, 7.
2. Орбитальное (побочное) квантовое число l характеризует форму электронной орбитали (и, соответственно, энергетические подуровни) при заданном значении главного квантового числа . Орбитальное число l  может принимать значения целых чисел от 0 до . Состояния электрона, которые характеризуются различными значениями числа l, называют энергетическими подуровнями.Орбитальное квантовое число определяет также момент импульса электрона. Момент импульса при этом задаётся соотношением .В одной и той же оболочке (уровне) энергия подоболочек (подуровней) возрастает.
3. Магнитное квантовое число характеризует ориентацию орбитали в пространстве и может принимать значения целых чисел от – до + , в том числе и значение 0 (ml = -l … 0 … l). Если исходить из классических представлений, то движущийся по замкнутой орбите электрон эквивалентен круговому току, магнитное  поле которого взаимодействует с внешним магнитным полем.Электрон, как и всякий электрический заряд, движется по замкнутому контуру, имеет собственный магнитный момент. Плоскость электронной орбиты занимает определенное положение в пространстве, которое и характеризуется магнитным квантовым числом. Это положение можно характеризовать углом между направлением магнитного поля и осью перпендикулярной к плоскости орбиты.
4. Спиновое квантовое число характеризует различие состояний двух электронов, принадлежащих одной орбитали, в зависимости от ориентировки их собственных моментов количеств движения.  Число может иметь только два значения: . То есть, магнитное состояние квантуется, и существуют только два возможных состояния. Известно, что магнитное поле возникает при движении электрического заряда по кривой траектории. Предполагая, что в электроне заряд каким-то образом вращается, говорят, что электрон имеет спин. Это предположение позволяет вычислить магнитное поле, создаваемое спином.

 

23.Покажите, используя квантовомеханическую модель атома водорода, какой вид будет иметь график общей энергии электрона на данной орбитали в  зависимости от главного квантового числа n .

 

 

24. Поясните, почему  уменьшение или исчезновение  озона в стратосфере создает  серьезную угрозу?

 

Озон  — состоящая из трёхатомных молекул O3 аллотропная модификация кислорода.

Озоновая дыра - регион резкого утончения озонового слоя - образование не постоянное, способное к перемещению.

Атмосферные газы предохраняют поверхность Земли от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца, которое называют вакуумным, поскольку оно может распространяться только в пустоте.

К малым газовым компонентам атмосферы относится озон  . Он содержится в атмосфере в ничтожных количествах и  в среднем на один миллион молекул воздуха, содержащего около 80 % азота и 20 % молекул кислорода, приходится одна молекула озона. Приведенная к нормальным условиям толщина слоя озона составляет в среднем 3 мм.

Несмотря на ничтожные количества озон существенно  уменьшает поток квантов, попадающий на земную поверхность. Стратосферный озон поглощает кванты, которые составляют часть оптического излучения Солнца с длинами волн менее 285 нм и значительно ослабляет поток излучения в диапазоне 285 – 315 нм. То есть озоновая оболочка предохраняет поверхность Земли от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца, которое прекращает деление и размножение клеток и оказывает бактерицидное действие. У людей  такое ультрафиолетовое излучение повреждает ДНК, нарушает генетический код и может привести к трагическим последствиям. Эффект поражения наиболее силен при действии оптического излучения с длинами волн 255-265 нм и существенно убывает после 290 нм. Иначе говоря, озон,  пропуская оптическое излучение с длинами волн больше 290 нм, «задерживает» опасное оптическое излучение.

Ученые, которые наблюдают за формированием озоновой оболочки, предохраняющей поверхность Земли жесткого ультрафиолетового излучения Солнца, отмечают  озоновую «дыру» в районе Южного полюса.

Формирование озоновой дыры обусловлено ежегодными изменениями в движении воздушных масс. Ветра приносят хлорфторуглероды, использовавшиеся в промышленности в 80-х годах прошлого века. Исследователи утверждают, что, начиная с 2001 года, количество опасных для озона веществ уменьшилось на 4 процента. Но позитивные изменения в озоновом слое проявятся не раньше 2020 года. Эти соединения отличаются долгим сроком жизни, поэтому, не смотря на прекращение их использования, они продолжают разрушать озон.

Ученые установили, что в настоящее время главным истребителем озонового слоя является веселящий газ N2O. Рост концентрации этого газа составляет примерно 0,25 процента в год. Губительности этому газу добавляет тот факт, что он разлагается в атмосфере примерно за 100 лет.

По данным исследователей, достаточно крупный регион в окрестности Северного полюса потерял почти половину озона. В настоящее время количество озона там составляет 306 единиц Добсона при нормальном значении в 430-380 единиц.

Такая низкая концентрация озона обусловлена низкой температурой стратосферы. В качестве одной из причин этого называется большое количество парниковых газов, которые задерживают испускаемое землей тепло, обычно нагревающее верхние слои атмосферы.

Озоновая дыра - образование не постоянное, способное к перемещению. В частности, арктическая дыра вполне может на несколько дней сместиться южнее, дойдя до широт Италии и Греции.

Таким образом, уменьшение или исчезновение озона в стратосфере создает серьезную угрозу для регулирования потока ультрафиолетовых квантов, задерживая наиболее опасные из них.

25. Что у движущихся  частиц измеряют в Джоулях, а  что в электрон-Вольтах? Как они  связаны между собой? Что происходит  при переходе электрона с одной  орбитали на другую?

Определенное в системе СИ значение энергии, выраженное в джоулях, обычно оказывается достаточно малым. Поскольку, говоря об атомах, приходится иметь дело именно с такими энергиями, то уступая естественному человеческому желанию пользоваться числами в пределах от 0,1 до 100, часто отказываются от использования единиц энергии, установленных системой СИ. Вместо джоулей используют электрон-вольт – единицу, численно равную энергии, которую приобретает электрон под действием разности потенциалов 1 В (вольт).

Возбуждение атома, то есть «переход» электрона в состояние, которое характеризуется большим квантовым числом (переход на орбиталь с большим радиусом), требует сообщения ему дополнительной энергии и, следовательно, происходит в результате каких-либо внешних воздействий (к примеру, за счет теплового воздействия).

 

26. Использование  вакуума в науке и технике.

Вакуум обладает многими полезными свойствами, которые находят применение в различиях областях науки и техники. Например, в вакууме резко снижается химическая активность кислорода в процессе окисления металлов.

При очень высоких степенях разрежения воздуха поверхности тел остаются чистыми в течение нескольких часов, что позволяет проводить их исследование.