13) Квантовая физика в современных технологиях: Полупроводники.

Все твердые тела по их способности проводить электрический ток делятся на проводники (металлы), диэлектрики (изоляторы) и полупроводники.

-В проводниках валентные (внешние) электроны обобществляются всем объемом материала – являются свободными носителями заряда.

-В диэлектриках электроны связаны каждый со своим атомом.

-В полупроводниках при низких температурах (T→0 K) электроны связаны каждый со своим атомом, а уже при комнатных температурах появляются свободные носители заряда.

При повышении температуры электроны отрываются от своих атомов. На месте электрона остается вакантное место - дырка. Основные носители заряда в чистом полупроводнике: электроны и дырки.

Полупроводник n-типа получается при добавлении в расплав чистого полупроводника примеси, с валентностью больше на единицу. Основные носители заряда: электроны.

Полупроводник р - типа получается при добавлении в расплав чистого полупроводника примеси, с валентностью меньше на единицу. Основные носители заряда: дырки.

p-n переход

1.Полупроводниковый диод

• выпрямители тока

• светоизлучающие диоды.

2.Транзисторы. 3.Солнечные батареи. 4.Фотоэлементы. 5.Тепловые сопротивления. Полупроводниковые микросхемы имеют плотность более 100 миллионов элементов на 1 см² кристалла.

14)Квантовая физика в современных технологиях: Лазеры.

Лазер - устройство, преобразующее различные виды энергии в энергию оптического излучения. В основе - процесс вынужденного излучения возбужденными атомами или молекулами.

Три вида переходов электрона

Создание инверсной населенности уровней (оптическая накачка) Использование трех и четырех уровневых переходов. Один из уровней - метастабильный, на нем время жизни электрона ~10^-3 вместо ~10^-8с.

С хема работы твердотельного лазера

1- Непрозрачное зеркало. 2-Полупрозрачное зеркало.

Фотонная лавина отражается от зеркал (оптический резонатор) и, достигнув большой мощности, выходит через полупрозрачное зеркало.

Применение лазеров

1.Наука

• спектроскопия

• фотохимия

• лазерное намагничивание и охлаждение.

2.Вооружение

• лазерное оружие

• лазерный прицел

• лазерное наведение на цель.

3.Контроль качества микросхем оптическими методами. 4.Медицина. 5.Лазеры в быту

• проигрыватели

• указки, голография

• освещение.

6.Обработка материалов в промышленности.

15) Неклассические концепции в химии: учение о химическом процессе. Тепловой эффект и хим равновесие реакций.

Это третий уровень химического познания. Н.Н.Семенов, русский ученый, (1896 - 1986 г.) основоположник физической химии.

Каждая химическая реакция в принципе может идти и в прямом и в обратном направлении. Обратимая химическая реакция - может быть проведена в прямом и обратном направлении без остаточных изменений в окружающей среде через ту же последовательность промежуточных состояний.

I. Тепловой эффект реакции.

Герман Гесс, русский химик (1802-1850). Закон Гесса: Тепловой эффект Q химической\ реакции зависит от состояния исходных веществ и продуктов реакции, но не зависит от промежуточных стадий реакций.

Реакция:

Q_i—теплоты образования продуктов реакции и исходных веществ; r_i—стехиометрические коэффициенты реакции.

III. Химическое равновесие реакции -состояние, в котором скорости прямой и обратной реакций одинаковы. Химическое равновесие может быть смещено как в сторону прямой, так и в сторону обратной реакции. Принцип подвижного равновесия Ле Шателье (французский ученый 1850-1936 г.): Внешнее воздействие на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, приводит к смещению этого равновесия в направлении, при котором эффект произведенного воздействия ослабляется.

Новейшие направления: химия экстремальных состояний •плазмохимия •радиационная химия •химия высоких давлений и температур.

16) Неклассические концепции в химии: учение о химическом процессе. Скорость хим реакции. Факторы, определяющие скорость реакции: 1.Природа реагирующих веществ. 2.Площадь поверхности реагирования. Для веществ в твердом состоянии скорость реакции прямо пропорциональна поверхности реагирующих веществ.

3. Концентрация веществ.

Закон действующих масс: скорость реакции жидких и газообразных веществ пропорциональна произведению их концентраций.

Скорость прямой и обратной v₂ реакций:

Результирующая скорость реакции:2

4. Температура.

Правило Вант-Гоффа: при повышении температуры на 10°С скорость реакции возрастает в 2-4 раза. Более точно: формула Аррениуса:

5. Катализатор,

Катализатор - активатор молекул реагента исходных химических веществ. Катализ открыл в 1812 г. русский химик Кирхгоф К.С.

•гетерогенный катализ - жидкие или газообразные реагенты на поверхности твердого катализатора; •гомогенный катализ - газы или жидкости; •электрокатализ - на поверхности электрода; •фотокатализ – под действием излучения.

Синтез аммиака: катализатор - железо; температура - 450°С, давление 30-100 МПа.

Умет каталитического действия среды есть одно из проявлений неклассического подхода в химии.

17)Методы описания многочастичных систем. Уравнения состояния газа и статистические распределения.

Уравнение состояния идеального газа Менделеева-Клапейрона PV=vRT Уравнение состояния реального газа Ван-дер-Ваальса

Молекулярная физика – теория описания процессов в молекулярной системе на основе их молекулярного строения. Макросостояние системы определяется статистическими распределениями микропараметров. Распределение Максвелла молекул газа по их скоростям:

Молекулярная физика дает вероятностную характеристику системы.

18)Основные положения классической термодинамики. Первое и второе начало термодинамики. Понятия об обратимых и не обратимых процессах.

Термодинамика - теория описания процессов в молекулярной системе с помощью макропараметров. Термодинамическое равновесие - состояние системы, когда во всех ее частях значения макропараметров одинаковы.

Уравнение состояния идеального газа Менделеева-Клапейрона PV=vRT Уравнение состояния реального газа Ван-дер-Ваальса

Классическая термодинамика изучает только равновесные состояния и процессы и представляет собой теорию динамического типа.

Первое начало термодинамики: Теплота, сообщаемая системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии и на совершение этой системой работы. Q=∆U+A. Второе начало термодинамики: Формулировка У. Кельвина и М. Планка: невозможен процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты в работу.Формулировка Р. Клаузиуса: не существует процесса, единственным результатом которого является передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому. Обратимым называется процесс, который может быть проведен в прямом и обратном направлении без остаточных изменений в окружающей среде. Большинство процессов в природе необратимы и связаны с диссипацией (рассеянием) энергии. Мера необратимого рассеяния энергии - энтропия

В процессах важно знать изменение энтропии .

19) Второе начало термодинамики и энтропия. Энтропия, как мера беспорядка в системе. Формула Больцмана.

Второе начало термодинамики: Формулировка У. Кельвина и М. Планка: невозможен процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты в работу.Формулировка Р. Клаузиуса: не существует процесса, единственным результатом которого является передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому. Энтропия системы связана с числом способов реализации макросостояния системы (вероятностью реализации состояния). Формула Больцмана S=klnw

W-вероятность состояния системы. Энтропия является мерой неупорядочности (хаотичности) состояния системы.

20) Второе начало термодинамики и эволюционная парадигма. Открытые термодинамические системы. Понятие потока и градиента.

Второе начало термодинамики: Формулировка У. Кельвина и М. Планка: невозможен процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты в работу.Формулировка Р. Клаузиуса: не существует процесса, единственным результатом которого является передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому. Эволюционная парадигма: В процессе развития происходит переход к новым, более упорядоченным формам. Второе начало термодинамики описывает эволюцию изолированных равновесных систем. Природные объекты - открытые неравновесные системы. В таких системах возникает неоднородное распределение термодинамических параметров и происходит обмен энергией, веществом, информацией и т.д. Процессы в открытых неравновесных системах исследует неравновесная термодинамика.

Градиент - физическая величина, характеризующая степень неоднородности распределения какой-либо величины. Наличие градиента вызывает появление потока другой физической величины (градиент температуры - поток тепла...). Различают слабонеравновесные и сильнонеравновесные открытые системы. В слабонеравновесной системе ( близкой к термодинамическому равновесию) поток переносимой величины линейно связан с соответствующим градиентом. В сильнонеравновесной системе потоки являются нелинейными функциями соответствующих градиентов.