Устройство атома: Недопустимое название — Викиверситет

Содержание

строение атома

строение атома
atomo sandara statusas T sritis chemija apibrėžtis Atomą sudarančių dalelių ir jų ryšių visuma. atitikmenys: angl. atomic structure rus. строение атома

Chemijos terminų aiškinamasis žodynas – 2-asis patais. ir papild. leid. – Vilnius: Mokslo ir enciklopedijų leidybos institutas. Kazys Daukšas, Jurgis Barkauskas, Vitas Daukšas. 2003.

  • atomo sandara
  • atomic symbol

Look at other dictionaries:

  • СТРОЕНИЕ АТОМА — (см.) построен из элементарных частиц трёх видов (см.), (см.) и (см.), образующих устойчивую систему. Протон и нейтрон входят в состав атомного (см.), электроны образуют электронную оболочку.

    В ядре действуют силы (см.), благодаря которым… …   Большая политехническая энциклопедия

  • строение атома — atomo sandara statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. atom structure; structure of atom vok. Atomaufbau, m; Atombau, m; Atomstruktur, f rus. строение атома, n; структура атома, f pranc. structure d’atome, f …   Fizikos terminų žodynas

  • Строение атома — …   Википедия

  • строение — сущ., с., употр. сравн. часто Морфология: (нет) чего? строения, чему? строению, (вижу) что? строение, чем? строением, о чём? о строении; мн. что? строения, (нет) чего? строений, чему? строениям, (вижу) что? строения, чем? строениями, о чём? о… …   Толковый словарь Дмитриева

  • строение — СТРОЕНИЕ1, я, ср Системность, взаиморасположение частей, частиц в составе чего л.; внутреннее устройство чего л.; Син.: структура. Строение атома. Строение глаза. СТРОЕНИЕ2, я, ср То же, что здание; Син. : постройка. Быстрее стали выступать из… …   Толковый словарь русских существительных

  • АТОМА СТРОЕНИЕ — раздел физики, изучающий внутреннее устройство атомов. Атомы, первоначально считавшиеся неделимыми, представляют собой сложные системы. Они имеют массивное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, вокруг которого в пустом пространстве движутся… …   Энциклопедия Кольера

  • строение — я; ср. 1. Здание, постройка. Бревенчатое, каменное с. Ветхое с. Двухэтажное с. Полуразрушенное с. Жилые, хозяйственные строения. 2. Взаимное расположение частей, частиц в составе чего л.; внутреннее устройство чего л.; структура. С. вещества. С.… …   Энциклопедический словарь

  • строение — я; ср. см. тж. строеньице 1) Здание, постройка. Бревенчатое, каменное строе/ние. Ветхое строе/ние. Двухэтажное строе/ние. Полуразрушенное строе/ние …   Словарь многих выражений

  • Орбитальная модель атома — Атомная орбиталь одноэлектронная волновая функция в сферически симметричном электрическом поле атомного ядра, задающаяся главным n, орбитальным l и магнитным m квантовыми числами. Название «орбиталь» (а не орбита) отражает геометрическое… …   Википедия

  • ЯДРО АТОМА — (атомное ядро) внутренняя центральная часть (см.), в которой сосредоточена почти вся его масса. Состоит из (см.) протонов и нейтронов (за исключением Я. а. водорода, состоящего всего лишь из единственного протона), связанных ядерными силами и… …   Большая политехническая энциклопедия

Строение атома

Существованием атомов удалось объяснить не только поведение металлов, но и вообще все наблюдаемые в окружающем нас мире физические и химические процессы.

Но что такое сам атом? Каково строение его? Какие силы действуют внутри атома?

Этих вопросов никто не ставил, пока не было открыто, что атом может распадаться. Тогда ученым поневоле пришлось задуматься над его строением.

Физики создали несколько «моделей» атома. Лучшей из них, позволившей истолковать множество явлений, была модель английского физика Резерфорда.

Резерфорд считал, что атом — подобие планетной системы; в центре его находится тяжелое положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома; вокруг ядра обращаются отрицательно заряженные легкие частицы — электроны.

Заряд ядра по величине равен заряду всех электронов, удерживаемых его притяжением. Электроны очень быстро обращаются вокруг ядра, не падая, на него по той же причине, по которой удерживаются на своих орбитах планеты, обращающиеся вокруг Солнца.

На этом, однако, и кончалось сходство мёжду атомом и солнечной системой. Оказалось, что электроны, в отличие от планет, могут находиться только на определенных расстояниях от ядра. Они образуют так называемые электронные «оболочки». В каждой из оболочек может находиться не более определенного для нее количества электронов.

Эти законы, управляющие миром атомов, непонятны с точки зрения обычной, или классической, механики. Но все-таки ученым удалось воспроизвести явление, подобное образованию электронных оболочек.

На воду в широкой чашке было пущено несколько поплавков с магнитиками, обращенными вверх одним и тем же полюсом. Отталкиваясь друг от друга, магнитики рассеялись по поверхности воды. Они изображали в опыте электроны.

Затем невысоко над водой был помещен сильный магнит, обращенный вниз другим полюсом. Он играл роль атомного ядра. Под влиянием его притяжения магнитики-электроны выстроились под ним кольцом.

Когда был пущен еще один магнитик, он занял место в этом же кольце. То же произошло и с другими. Но затем новые поплавки с магнитиками, как бы не «поместившись» в кольце, начали строиться вне его, образуя новую кольцеобразную «оболочку».

Нечто подобное происходит и в мире атомов.

Электроны, притягиваемые положительно заряженным ядром, обращаются вокруг него. На ближайшей орбите «помещаются» только два электрона. Если ядро несет на себе более двух зарядов, то электроны размещаются и на второй орбите, где может «поместиться» не более 8 электронов.

У атомов, ядро которых несет более 10 зарядов, электроны начинают заполнять третью орбиту, могущую «вместить» не более 18 электронов, и так далее (число электронов, заполняющее любую возможную орбиту, может быть найдено по формуле 2·n2, где n — номер орбиты).

Атом оказался сложной системой, но его ядро, как доказало дальнейшее изучение, — не просто сплошной шарик. В этом ученые убедились, сравнивая заряды и массы атомных ядер различных веществ.

Ядро атома водорода — протон — несет на себе один положительный заряд. Можно было бы думать, что атомные ядра остальных веществ также состоят только из этих частиц. Например, атомное ядро углерода, несущее на себе 6 положительных зарядов, должно состоять из 6 протонов, однако оно в 12 раз тяжелее атомного ядра водорода. У других же веществ несоответствие еще больше: атомное ядро хрома обладает 24 зарядами, но в 52 раза тяжелее протона.

Это несоответствие удалось объяснить, когда было открыто существование незаряженных частиц — нейтронов — с массой, почти равной массе протона. Стало очевидным, что атомное ядро углерода состоит из 6 протонов и такого же числа нейтронов. Поэтому оно, обладая 6 зарядами, в 12 раз тяжелее атомного ядра водорода. В атомном ядре хрома 24 протона и 28 нейтронов, и потому его масса в 52 раза больше массы протона. Самое же тяжелое атомное ядро (урана) состоит из 92 протонов и 146 нейтронов.

Позднее удалось установить, что существуют вещества, атомные ядра которых имеют одинаковый заряд, но разную массу. Их назвали изотопами. Например, кроме обычного урана с атомным весом 238, существует уран, атомное ядро которого только в 235 раз тяжелее протона. Так как заряд их атомных ядер одинаков, то разница только в числе нейтронов.

Протоны и нейтроны удерживаются в ядре силами связи, природа которых еще мало известна. Эти силы при очень близком расстоянии между частицами значительно превосходят силу отталкивания между одноименными зарядами протонов. С увеличением же расстояния между частицами начинает преобладать сила отталкивания одноименных зарядов.

Если в самой внешней электронной оболочке атома не более 2—3 электронов, то они слабо связаны с ним и могут сравнительно легко отделиться.

Заряд электронных оболочек по величине равен заряду ядра. Поэтому атом в целом — нейтральное тело. Но если он потеряет один или несколько электронов, то заряд ядра становится больше, чем у его электронных оболочек. Атом в целом приобретает положительный заряд, по величине равный заряду потерянных электронов. Он называется положительным ионом. Захватывая же в свою внешнюю оболочку лишний электрон, атом в целом приобретает отрицательный заряд. Положительный и отрицательный ионы притягиваются друг к другу и образуют молекулу сложного вещества.

Известно, однако, что водород, кислород и многие другие вещества также состоят из молекул. Как же их нейтральные атомы могут соединиться в молекулу?

Эта загадка уже разрешена физиками.

При сближении нейтральных атомов происходит то же, что наблюдается при приближении наэлектризованной трением стеклянной палочки к сухому шарику из сердцевины бузины: как известно, он притянется к стеклянной палочке.

Предположим, что два нейтральных атома сблизились настолько, что между ними возникает взаимодействие. При этом ядра атомов и электроны под влиянием взаимного притяжения несколько сблизятся между собой. Поэтому сила притяжения между ними, изменяющаяся обратно пропорционально квадрату расстояния, увеличится.

Части же атомов, заряженные одинаковым электричеством, под влиянием взаимного отталкивания немного удалятся друг от друга. Значит, сила отталкивания между ними немного уменьшится. В результате сила притяжения между нейтральными атомами получит перевес над отталкиванием и они притянутся друг к другу.

Предположим, что сблизились два атома водорода. У каждого из них по одному электрону. Каждое из ядер действует на оба электрона. Под влиянием их притяжения каждый из электронов начинает двигаться по очень сложной орбите вокруг то одного, то другого из них.

Ядра атомов не могут сблизиться до соприкосновения. Этому мешает взаимное отталкивание их одноименных зарядов. Но они и не могут удалиться друг от друга, так как их связывает притяжение электронов.

Так образуется молекула водорода.

Пока атомы принимались просто за шарообразные частицы, молекулы изображались двумя прижатыми друг к другу шариками, приплюснутыми в месте соприкосновения. В некоторых случаях можно удовлетвориться такой примитивной моделью.

В действительности же молекула водорода вовсе не два сблизившихся атома. Она представляет собой систему из двух ядер и двух коллективизированных, или «обобществленных», электронов. Очевидно, что в первой модели шарик — воображаемая частица с поперечником, равным радиусу орбиты электрона.

Теперь можно понять, что удерживает в «упаковке» атомы металлов.

У атома металла во внешней оболочке 1—3 электрона, слабо связанных с его ядром. Вещества, имеющие более заполненную внешнюю электронную оболочку, теряют металлические свойства.

Когда конденсируются металлические пары или кристаллизуется металлический расплав, происходит то же, что и при образовании молекулы: внешние электроны атомов металла, слабо связанные с ними, отрываются и «обобществляются». Атомы становятся положительными ионами, взаимно отталкивающими друг друга. Освободившиеся же электроны «блуждают» между ними, обращаясь по сложным орбитам вокруг лежащих по соседству ионов. Они-то и связывают взаимно отталкивающиеся ионы металлов.

Кристалл металла — система плотно упакованных положительных ионов, связанных обращающимися между ними свободными электронами. Притяжение к этим электронам уравновешивает взаимное отталкивание положительных ионов. Равновесие между этими силами притяжения и отталкивания определяет прочность металла.

Каковы же по величине силы, действующие внутри атомов и молекул?

Предположим, что удалось бы извлечь положительные заряды ядер и отрицательные заряды электронов всех атомов одного грамма водорода. Если бы сосредоточить положительные заряды в одной точке, а отрицательные заряды в другой на расстоянии 1 сантиметра, то они взаимно притягивались бы с силой порядка 1029 дин, или 1020 тонн. Эта сила в десятки раз превосходит силу притяжения Солнцем земного шара.

Проникнув в тайну строения вещества, ученые могли уже объяснить, что происходит со сталью и стеклом при закалке.

Схематическое изображение молекул, если принимать атомы за сплошные шарики: 1 — молекула кислорода; 2 — молекула воды; 3 — молекула углекислого газа.

Физики создали полноценный транзистор из одного атома фосфора

Сначала Симмонс и ее коллеги подготовили подложку – тонкую пластину из оксида кремния. Затем они нанесли на нее “дорожки” из атомов фосфора, покрыли их атомами водорода и обработали “чистую” поверхность при помощи туннельного микроскопа. Это устройство состоит из особо тонкой металлической иглы, которая считывает неровности поверхности при помощи импульсов слабого электрического тока.

Взаимодействие атомов фосфора, водорода с иглой микроскопа превращало их в молекулы газа фосфина, который легко отделялся от поверхности подложки. Это позволило ученым удалить лишний фосфор с пластины и оставить его только в тех точках, где он был нужен.

Удалив ненужные атомы с поверхности устройства, ученые “запечатали” его вторым слоем кремния и подключили металлические контакты к выходам транзистора.

Затем авторы статьи проверили свое изобретение – они охладили одноатомный транзистор при помощи жидкого гелия и следили за тем, как устройство пропускает электрический ток. В целом, результаты работы экспериментального транзистора совпадали с тем, что ожидали увидеть Симмонс и ее коллеги.

“Нам удалость создать великолепный пример того, как можно использовать манипулирование одиночными атомами для создания реально работающих устройств. Пятьдесят лет назад, когда был разработан первый (полевой) транзистор, никто не мог предсказать то, какую роль компьютеры займут в обществе в наши дни”, – пояснила Симмонс.

Как считают ученые, им удалось “обогнать” знаменитый закон Мура, описывающий темпы развития электроники. Согласно этому закону, число транзисторов на кристалле интегральных схем – процессоров, памяти – удваивается каждые два года за счет уменьшения их размеров.

По словам Симмонс и ее коллег, появление одноатомных транзисторов было “намечено” на 2020 год. Таким образом, исследователи смогли ускорить технический прогресс на восемь лет. Такой скачок вперед является очень весомым сроком для микроэлектроники – типичный цикл жизни новой полупроводниковой схемы составляет примерно полгода, а цикл разработки редко длится больше двух-трех лет.

Полупроводники, строение атома и электропроводность

Планетарная модель атома

Для того чтобы лучше понять особенности природы полупроводников, стоит немного вспомнить электронное строение атома. Для этого рассмотрим планетарную модель атома, предложенную датским физиком Н. Бором в 1913 году. Согласно этой модели, в центре атома находится ядро, состоящее из протонов и нейтронов. Вокруг ядра вращаются электроны. Их количество определяет химические свойства элемента и название вещества. Например, у водорода (H) всего один электрон, у полупроводника кремния (Si) — 14 электронов.

Носители электрического заряда в атоме

Каждый протон несет частицу положительного электрического заряда. Электрон является носителем отрицательного электрического заряда, равного по силе заряду протона. Нейтроны не несут заряда, и остаются электрически нейтральными.

В обычном состоянии количество протонов и электронов одинаково, и такой атом электрически нейтрален. Когда у химического элемента не хватает одного электрона, тогда его называют положительно заряженным ионом. При избытке электронов, атом становится отрицательно заряженным ионом.

Электронная оболочка атома

Область пространства вероятного местонахождения электрона называется электронная оболочка. Атом может иметь до семи электронных оболочек, именуемых латинскими буквами K (ближайшая оболочка к ядру), L, M, N, O, P и Q. На таблице ниже указано максимально возможное количество электронов на каждой оболочке.

Электронная
оболочка
Максимальное
число электронов
K 2
L 8
M 18
N 32
O 50
P 72
Q 98

Электроны, которые находятся дальше всего от ядра атома, располагаются на внешней электронной оболочке и называются валентными электронами. С их помощью атом взаимодействует с соседними химическими элементами.

Электропроводность материалов

Электрические свойства материала напрямую зависят от количества валентных электронов у их атомов. Чем их меньше, тем слабее связь каждого валентного электрона с ядром атома. Следовательно, такой материал лучше проводит электрический ток, потому что его атомы «охотнее» расстаються со своими электронами. Самые лучшие проводники — это химические элементы с одним электроном на внешней оболочке. Например, такие как золото (Au) или медь (Cu).

Соответственно, чем больше заполнена внешняя электронная оболочка, тем больше энергии требуется на разрыв связей между ядром атома и валентными электронами. Самые лучшие диэлектрики (материалы, практически не проводящие электричество) — это химические элементы с завершенной валентной оболочкой. Типичными их представителями являются, так называемые, благородные газы. Например неон (Ne) или аргон (Ar).

У полупроводников внешняя электронная оболочка заполнена наполовину. Следовательно, эти материалы не могут быть хорошими проводниками, как и диэлектриками. Полупроводники интерессны именно тем, что способны значительно менять свои электрические свойства в зависимости от температуры, или примесей других химических элементов.

В следующем разделе речь пойдет о том, как полупроводники специально «загрязняют» примесями, чтобы повлиять на их электропроводность. Также рассмотрим принципы действия дырочного и электронного типа проводимостей.

ЯДРО АТОМА | Наука и жизнь

Статьей “Ядро атома” академика Абрама Федоровича Иоффе открывался первый номер журнала “Наука и жизнь”, вновь созданного в 1934 году.

ВОЛНОВАЯ ПРИРОДА МАТЕРИИ

В начале XX века атомистическое строение материи перестало быть гипотезой, и атом сделался такой же реальностью, как реальны обычные для нac факты и явления.

Выяснилось, что атом есть очень сложное образование, в состав которого, несомненно, входят электрические заряды, а может быть, и только одни электрические заряды. Отсюда, естественно, возник вопрос о структуре атома.

Первая модель атома была построена по образцу Солнечной системы. Однако такое представление о структуре атома вскоре оказалось несостоятельным. И это естественно. Представление об атоме как о Солнечной системе было чисто механическим перенесением картины, связанной с астрономическими масштабами, в область атома, где масштабы – только стомиллионные доли сантиметра. Столь резкое количественное изменение не могло не повлечь за собой и очень существенного изменения качественных свойств тех же явлений. Это различие прежде всего сказалось в том, что атом, в отличие от Солнечной системы, должен быть построен по гораздо более жестким правилам, чем те законы, которые определяют орбиты планет Солнечной системы.

Возникло два затруднения. Во-первых, все атомы данного рода, данного элемента по своим физическим свойствам совершенно одинаковы, а следовательно, совершенно одинаковы должны быть орбиты электронов в этих атомах. Между тем законы механики, управляющие движением небесных тел, для этого не дают решительно никаких оснований. В зависимости от начальной скорости орбита планеты может быть, по этим законам, совершенно произвольна, планета может вращаться каждый раз с соответственной скоростью по любой орбите, на любых расстояниях от Солнца. Если бы такие же произвольные орбиты существовали в атомах, то атомы одинакового вещества не могли бы быть настолько совпадающими по своим свойствам, например, давать строго одинаковый спектр свечения. Это одно противоречие.

Другое – заключалось в том, что движение электрона вокруг атомного ядра, если к нему применить законы, хорошо нами изученные в большом масштабе лабораторных опытов или даже астрономических явлений, должно было бы сопровождаться непрерывным излучением энергии. Следовательно, энергия атома должна была бы непрерывно истощаться, и опять-таки атом не мог бы сохранить одинаковыми и неизменными свои свойства на протяжении столетий и тысячелетий, а весь мир и все атомы должны были бы испытывать непрерывное затухание, непрерывную потерю заключающейся в них энергии. Это тоже никак несовместимо с основными свойствами атомов.

Последнее затруднение ощущалось особенно остро. Казалось, оно завело всю науку в неразрешимый тупик.

Крупнейший физик Лоренц закончил нашу беседу по этому поводу так: “Я жалею, что не умер пять лет назад, когда этого противоречия еще не было. Тогда я умер бы в убеждении, что я раскрыл часть истины в явлениях природы”.

В это же время, весной 1924 года, де-Бройль, молодой ученик Ланжевена, в своей диссертации выразил мысль, которая в дальнейшем своем развитии привела к новому синтезу.

Идея де-Бройля, потом довольно существенно измененная, но до сих пор в основном сохранившаяся, заключалась в том, что движение электрона, вращающегося вокруг ядра в атоме, не есть просто движение некоего шарика, как это представляли себе раньше, что это движение сопровождается некоторой волной, идущей вместе с движущимся электроном. Электрон – не шарик, а некоторая размытая в пространстве электрическая субстанция, движение которой представляет собой в то же время распространение волны.

Это представление, затем распространенное не только на электроны, но и на движение всякого тела – и электрона, и атома, и целой совокупности атомов, – утверждает, что всякое движение тела заключает в себе две стороны, из которых мы в отдельных случаях можем видеть особенно отчетливо одну сторону, тогда как другая заметно не проявляется. В одном случае мы видим как бы распространяющиеся волны и не замечаем движения частиц, в другом случае, наоборот, на первый план выступают сами движущиеся частицы, а волна ускользает от нашего наблюдения.

Но на самом деле всегда обе эти стороны имеются, и, в частности, в движении электронов имеется не только перемещение самих зарядов, но и распространение волны.

Нельзя сказать, что движения электронов по орбитам нет, а есть только пульсация, только волны, т. е. нечто другое. Нет, правильнее было бы сказать так: того движения электродов, которое мы уподобляли движению планет вокруг Солнца, мы вовсе не отрицаем, но самое это движение имеет характер пульсации 1, а не характер движения земного шара вокруг Солнца.

Я не стану здесь излагать строение атома, строение той электронной его оболочки, которая определяет все основные физические свойства – сцепление, упругость, капиллярность, химические свойства и т. п. Все это – результат движения электронной оболочки, или, как мы теперь скажем, пульсации атома.

ПРОБЛЕМА АТОМНОГО ЯДРА

Ядро играет в атоме самую существенную роль. Это – тот центр, вокруг которого вращаются все электроны и свойствами которого в конечном счете обусловливается все остальное.

Первое, что мы могли узнать о ядре, – это его заряд. Мы знаем, что в состав атома входит некоторое число отрицательно заряженных электронов, но атом в целом не обладает электрическим зарядом. Значит, где-то должны быть соответствующие положительные заряды. Эти положительные заряды сосредоточены в ядре. Ядро – положительно заряженная частица, вокруг которой пульсирует электронная атмосфера, окружающая ядро. Заряд ядра определяет собой и число электронов.

Электроны железа и меди, стекла и дерева совершенно одинаковы. Для атома никакой беды не составляет потерять несколько своих электронов или даже потерять все свои электроны. Пока остается положительно заряженное ядро, это ядро притянет к себе из других окружающих тел столько электронов, сколько ему нужно, и атом сохранится. Атом железа до тех пор останется железом, пока цело его ядро. Если он потеряет несколько электронов, то положительный заряд ядра окажется больше, чем совокупность оставшихся отрицательных зарядов, и весь атом в целом приобретет избыточный положительный заряд. Тогда мы его называем не атомом, а положительным ионом железа. В другом случае атом может, наоборот, привлечь к себе больше отрицательных электронов, чем в нем имеется положительных зарядов, – тогда он будет заряжен отрицательно, и мы называем его отрицательным ионом; это будет отрицательный ион того же элемента. Следовательно, индивидуальность элемента, все его свойства существуют и определяются ядром, зарядом этого ядра прежде всего.

Далее, – масса атома в подавляющей своей части определяется именно ядром, а не электрона ми, – масса электронов составляет меньше одной тысячной массы всего атома; больше чем 0,999 всей массы – это масса ядра. Это имеет тем большее значение, что массу мы считаем мерой того запаса энергии, которым обладает данное вещество; масса – такая же мера энергии2 , как эрг, киловатт-час или калория* .

Сложность ядра обнаружилась в явлении радиоактивности, открытом, вскоре за рентгеновыми лучами, на грани нашего столетия. Известно, что радиоактивные элементы непрерывно излучают энергию в виде альфа-, бета- и гамма-лучей. Но такое непрерывное излучение энергии должно иметь какой-то источник. В 1902 г. Резерфорд показал, что единственным источником этой энергии должен быть атом, иначе сказать, ядерная энергия. Другая сторона радиоактивности заключается в том, что испускание этих лучей переводит один элемент, находящийся в одном месте периодической системы, в другой элемент с другими химическими свойствами. Иными словами, радиоактивные процессы осуществляют превращение элементов. Если верно, что ядром атома определяется его индивидуальность и что, пока ядро цело, до тех пор и атом остается атомом данного элемента, а не какого-нибудь другого, то переход одного элемента в другой означает изменение самого ядра атома.

Выбрасываемые радиоактивными веществами лучи дают первый подход, позволяющий составить себе некоторое общее представление о том, что заключено в ядре.

Альфа-лучи представляют собой ядра гелия, а гелий – второй элемент периодической системы. Можно думать поэтому, что в состав ядра входят ядра гелия. Но измерение скоростей, с которыми вылетают альфа-лучи, приводит сразу же к очень серьезному затруднению.

ТЕОРИЯ РАДИОАКТИВНОСТИ ГАМОВА

Ядро заряжено положительно. При приближении к нему всякая заряженная частица испытывает силу притяжения или отталкивания. В больших масштабах лабораторий взаимодействия электрических зарядов определяются законом Кулона: два заряда взаимодействуют друг с другом с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними и прямо пропорциональной величине одного и другого зарядов. Изучая законы притяжения или отталкивания, которые испытывают частицы, приближаясь к ядру, Резерфорд установил, что вплоть до очень близких к ядру расстояний, порядка 10-12 см, еще справедлив тот же закон Кулона. Если это так, то мы легко можем подсчитать, какую работу должно произвести ядро, отталкивая от себя положительный заряд, когда он выходит из ядра и выбрасывается наружу. Альфа-частицы и заряженные ядра гелия, вылетая из ядра, движутся под отталкивающим действием его заряда; и вот соответствующий подсчет дает, что под действием одного только отталкивания альфа-частицы должны были накопить кинетическую энергию, соответствующую, по крайней мере, 10 или 20 млн. электронвольт, т. е. энергию, которая получается при прохождении зарядом, равным заряду электрона, разности потенциалов в 20 млн. вольт**. А на самом деле, вылетая из атома, они выходят с энергией, гораздо меньшей, всего в 1-5 млн. электронвольт. А ведь, кроме того,

естественно было ожидать, что и ядро, выбрасывая альфа-частицу, еще что-то дает ей в придачу. В момент выбрасывания в ядре происходит что-то вроде взрыва, и самый этот взрыв сообщает какую-то энергию; к этому прибавляется работа сил отталкивания, а оказывается, что сумма этих энергий меньше того, что должно дать одно отталкивание. Это противоречие снимается, как только мы откажемся от механического перенесения в эту область взглядов, выработанных на опыте изучения больших тел, где мы не принимаем во внимание волнового характера движения. Г. А. Гамов первый дал правильное толкование этому противоречию и создал волновую теорию ядра и радиоактивных процессов.

Известно, что на достаточно больших расстояниях (больше 10-12 см) ядро отталкивает от себя положительный заряд. С другой стороны, несомненно, что внутри самого ядра, в котором находится много положительных зарядов, они почему-то не отталкиваются. Самое существование ядра показывает, что положительные заряды внутри ядра взаимно притягивают друг друга, а вне ядра – от него отталкиваются.

Как же можно описать энергетические условия в самом ядре и вокруг него? Гамов создал следующее представление. Будем изображать на диаграмме (рис. 5) величину энергии положительного заряда в данном месте расстоянием от горизонтальной прямой А.

По мере приближения к ядру энергия заряда будет возрастать, потому что будет совершаться работа против силы отталкивания. Внутри ядра, наоборот, энергия должна снова уменьшиться, потому что здесь существует не взаимное отталкивание, а взаимное притяжение. На границах ядра происходит резкое спадание величины энергии. Наш рисунок изображен на плоскости; на самом деле нужно, конечно, представить себе его в пространстве с таким же распределением энергии и по всем другим направлениям. Тогда мы получаем, что вокруг ядра имеется шарообразный слой с высокой энергией, как бы некоторый энергетический барьер, защищающий ядро от проникновения положительных зарядов, так называемый “барьер Гамова”.

Если стоять на точке зрения привычных взглядов на движение тела и забыть о волновой его природе, то нужно ожидать, что в ядро может пробраться только такой положительный заряд, энергия которого не меньше высоты барьера. Наоборот, для того, чтобы выйти из ядра, заряду нужно сначала достигнуть вершины барьера, после чего его кинетическая энергия начнет возрастать по мере удаления от ядра. Если на вершине барьера энергия была равна нулю, то при удалении из атома она и получит те самые 20 млн. электронвольт, которые на самом деле никогда не наблюдаются. Новое понимание ядра, которое внес Гамов, заключается в следующем. Движение частицы нужно рассматривать как волновое. Следовательно, на этом движении сказывается энергия не только в занимаемой частицей точке, но и во всей размытой волне частицы, охватывающей довольно значительное пространство. Исходя из представлений волновой механики, мы можем утверждать, что, если даже энергия в данной точке не достигла того предела, который соответствует вершине барьера, частица может оказаться по другую его сторону, где ее уже не втягивают в ядро действующие там силы притяжения.

Нечто аналогичное представляет следующий опыт. Представьте себе, что за стеной комнаты находится бочка с водой. От этой бочки проведена труба, которая проходит высоко наверху через отверстие, в стене и подает воду; внизу вода выливается. Это – хорошо известное устройство, называемое сифоном. Если бочка с той стороны поставлена выше, чем конец трубы, то через нее будет непрерывно вытекать вода со скоростью, определяемой разностью уровня воды в бочке и конца трубы. Ничего удивительного здесь нет. Но если бы вы не знали о существовании бочки по ту сторону стены и видели только трубу, по которой течет вода с большой высоты, то для вас этот факт казался бы непримиримым противоречием. Вода течет с большой высоты и в то же время не накапливает той энергии, которая соответствует высоте трубы. Однако объяснение в данном случае очевидно.

Аналогичное явление мы имеем в ядре. Заряд из своего нормального положения А поднимается в состояние большей энергии В, но вовсе не достигает вершины барьера С (рис. 6).

Из состояния В альфа-частица, проходя сквозь барьер, начинает отталкиваться от ядра не с самой вершины С, а с меньшей высоты энергии B1. Поэтому при выходе наружу накопленная частицей энергия будет зависеть не от высоты С, а от меньшей высоты, равной B1 (рис. 7).

Это качественное рассуждение можно облечь и в количественную форму и дать закон, определяю щий вероятность прохождения барьера альфа-частицей в зависимости от той энергии В, которой она обладает в ядре, а следовательно, и от той энергии, которую она получит при выходе из атома.

При помощи ряда опытов был установлен очень простой закон, связывавший числа выбрасываемых радиоактивными веществами альфа-частиц с их энергией или скоростью. Но смысл этого закона был совершенно непонятен.

Первый успех Гамова заключался в том, что из его теории совершенно точно и непринужденно вытекал этот количественный закон испускания альфа-частиц. Сейчас “энергетический барьер Гамова” и волновое его толкование являются основой всех наших представлений о ядре.

Свойства альфа-лучей качественно и количественно хорошо объясняются теорией Гамова, но известно, что радиоактивные вещества испускают и бета-лучи – потоки быстрых электронов. Испускания электронов модель не в состоянии объяснить. Это – одно из самых серьезных противоречий теории атомного ядра, которое до самого последнего времени осталось неразрешенным, но решение которого теперь, по-видимому, намечается 3.

СТРОЕНИЕ ЯДРА

Перейдем теперь к рассмотрению того, что мы знаем о строении ядра.

Больше 100 лет назад Проутом была высказана мысль, что, может быть, элементы периодической системы вовсе не являются отдельными, ничем между собой не связанными формами материи, а представляют собой только разные комбинации атома водорода. Если бы это было так, то можно было бы ожидать, что не только заряды всех ядер будут представлять собою целые кратные заряда водорода, но и массы всех ядер будут выражаться целыми кратными массы ядра водорода, т. е. все атомные веса должны были бы выражаться целыми числами. И действительно, если посмотреть на таблицу атомных весов, то можно увидеть большое число целых чисел4. Например, углерод – ровно 12, азот ровно 14, кислород – ровно 16, фтор – ровно 19. Это, конечно, не случайность. Но есть все-таки атомные веса, далекие от целых чисел. Например, неон имеет атомный вес 20,2, хлор – 35,46. Поэтому гипотеза Проута осталась частичной догадкой и не могла сделаться теорией строения атома. Изучая поведение заряженных ионов, особенно легко можно изучать свойства ядра атома, воздействуя на них, например, электрическим и магнитным полем.

Основанный на этом метод, доведенный до чрезвычайно большой точности Астоном, позволил установить, что все элементы, атомные веса которых не выражались целыми числами, на самом деле представляют собой не однородное вещество, а смесь двух или нескольких – 3, 4, 9 – разных видов атомов. Так, например, атомный вес хлора, равный 35,46, объясняется тем, что на самом деле имеется несколько сортов хлорных атомов. Существуют атомы хлора с атомным весом 35 и 37, и эти два вида хлора смешаны между собой в такой пропорции, что их средний атомный вес получается 35,46. Оказалось, что не только в одном этом частном случае, но и во всех без исключения случаях, где атомные веса не выражаются целыми числами, мы имеем смесь изотопов, т. е. атомов с одинаковым зарядом, следовательно, представляющих собой один и тот же элемент, но с различными массами. Каждый же отдельный сорт атомов всегда имеет целый атомный вес.

Таким образом, гипотеза Проута получила сразу значительное подкрепление, и вопрос можно было бы считать решенным, если бы не одно исключение, а именно, сам водород. Дело в том, что наша система атомных весов построена не на водороде, принятом за единицу, а на атомном весе кислорода, который условно принят равным 16. По отношению к этому весу атомные веса выражаются почти точными целыми числами. Но сам водород в этой системе имеет атомный вес не единицу, а несколько больше, именно 1,0078. Это число отличается от единицы довольно значительно- на 3/4%, что далеко превосходит все возможные ошибки в определении атомного веса.

Оказалось, что и у кислорода имеется 3 изотопа: кроме преобладающего, с атомным весом 16, другой – с атомным весом 17 и третий – с атомным весом 185. Если относить все атомные веса к изотопу 16, то атомный вес водорода все-таки окажется немного больше единицы. Далее был найден второй изотоп водорода – водород с атомным весом 2 – дейтерий, как его назвали открывшие его американцы, или диплоген, как его называют англичане. Этого дейтерия примешано всего примерно 1/6000 часть, и поэтому на атомном весе водорода присутствие этой примеси сказывается очень мало.

Следующий за водородом гелий имеет атомный вес 4,002. Если бы он был составлен из 4 водородов, то атомный вес его должен был бы быть, очевидно, 4,031. Следовательно, в этом случае мы имеем некоторую потерю в атомном весе, а именно: 4,031 – 4,002 = 0,029. Возможно ли это? Пока мы не считали массу некоторой мерой материи, конечно, это было невозможно: это значило бы, что часть материи исчезла.

Но теория относительности установила с несомненностью, что масса не есть мера количества материи6 , а мера той энергии, которой эта материя обладает. Материя измеряется не массой, а количеством зарядов, составляющих эту материю. Эти заряды могут иметь большую или меньшую энергию. Когда одинаковые заряды сближаются – энергия увеличивается, когда они удаляются – энергия уменьшается. Но это, конечно, не значит, что изменилась материя.

Когда мы говорим, что при образовании гелия из 4 водородов исчезло 0,029 атомного веса, то это значит, что исчезла соответствующая этой величине энергия. Мы знаем, что каждый грамм вещества обладает энергией, равной 9.1020 эрг. При образовании 4 г гелия теряется энергия, равная 0,029.9.1020 эргам. За счет этого уменьшения энергии 4 ядра водорода соединятся в новое ядро. Лишняя энергия выделится в окружающее пространство, и останется соединение с несколько меньшей энергией и массой. Таким образом, если атомные веса измеряются не точно, целыми числами 4 или 1, а 4,002 и 1,0078, то именно эти тысячные доли приобретают особенное значение, потому что они определяют энергию, выделяющуюся при образовании ядра.

Чем больше выделяется энергии при образовании ядра, т. е. чем больше при этом потеря в атомном весе, тем прочнее ядро. В частности, ядро гелия очень прочно, потому что при его образовании выделяется энергия, соответствующая потере в атомном весе – 0,029. Это очень большая энергия. Чтобы судить о ней, лучше всего запомнить такое простое соотношение: одна тысячная атомного веса соответствует примерно 1 млн электронвольт. Так что 0,029 это примерно 29 млн. электронвольт. Для того чтобы разрушить ядро гелия, чтобы разложить его обратно на 4 водорода, нужна колоссальная энергия. Ядро такой энергии не получает, поэтому ядро гелия чрезвычайно устойчиво, и поэтому-то именно из радиоактивных ядер выделяются не ядра водорода, а целые ядра гелия, альфа-частицы. Эти соображения приводят нас к новой оценке атомной энергии. Мы уже знаем, что в ядре сосредоточена почти вся энергия атома, и притом энергия громадная. 1 г вещества имеет, если перевести на более наглядный язык, столько энергии, сколько можно получить от сжигания 10 поездов по 100 вагонов нефти. Следовательно, ядро – совершенно исключительный источник энергии. Сравните 1 г с 10 поездами – таково соотношение концентрации энергии в ядре по сравнению с энергией, которой мы пользуемся в нашей технике.

Однако, если вдуматься в те факты, которые мы сейчас рассматриваем, то можно, наоборот, придти к совершенно противоположному взгляду на ядро. Ядро с этой точки зрения является не источником энергии, а ее кладбищем: ядро – это остаток после выделения громадного количества энергии, и в нем мы имеем самое низкое состояние энергия.

Следовательно, если мы можем говорить о возможности использования энергии ядра, то только в том смысле, что, может быть, не все ядра дошли до предельно низкой энергии: ведь и водород и гелий – оба существуют в природе, и, следовательно, не весь водород соединился в гелий, хотя гелий и обладает меньшей энергией. Если бы мы могли имеющийся водород сплотить в гелий, то получили бы известное количество энергии. Это не 10 поездов с нефтью, но все-таки это будет примерно 10 вагонов с нефтью. И это не так уж плохо, если бы можно было из 1 г вещества получить столько энергии, сколько от сжигания 10 вагонов нефти.

Таковы возможные запасы энергии при перестройке ядер. Но возможность, конечно, еще далеко не реальность 7.

Каким же образом можно реализовать эти возможности? Для того, чтобы оценить их, перейдем к рассмотрению состава атомного ядра.

Мы можем теперь сказать, что во всех ядрах имеются положительные ядра водорода, которые называются протонами, обладают единицей атомного веса (точнее 1,0078) и единичным положительным зарядом. Но ядро не может состоять из одних протонов. Возьмем, например, самый тяжелый элемент, занимающий 92-е место в периодической таблице, – уран с атомным весом 238. Если предположить, что все эти 238 единиц составлены из протонов, то уран имел бы 238 зарядов, между тем он имеет всего 92. Следовательно, либо там не все частицы заряжены, либо там кроме 238 протонов имеются 146 отрицательных электронов. Тогда все благополучно: атомный вес был бы 238, положительных зарядов 238 и отрицательных 146, следовательно, суммарный заряд 92. Но мы уже установили, что предположение о наличии в ядре электронов несовместимо с нашими представлениями: ни по размерам, ни по магнитным свойствам электронов в ядро поместить нельзя. Оставалось какое-то противоречие.

ОТКРЫТИЕ НЕЙТРОНА

Это противоречие было уничтожено новым опытным фактом, который примерно два года тому назад был открыт Иреной Кюри и мужем ее Жолио (Ирена Кюри – дочь Марии Кюри, открывшей радий)8. Ирена Кюри и Жолио открыли, что при бомбардировке бериллия (четвертого элемента периодической системы) альфа-частицами бериллий испускает какие-то странные лучи, проникающие через громадные толщи вещества. Казалось бы, paз они так легко проникают сквозь вещества, они не должны вызывать там сколько-нибудь значительных действий, иначе их энергия истощилась бы и они не проникали бы сквозь вещество. С другой стороны, оказывается, что эти лучи, столкнувшись с ядром какого- нибудь атома, отбрасывают его с громадной силой, как бы ударом тяжелой частицы. Так что, с одной стороны, нужно думать, что эти лучи – тяжелые ядра, а с другой стороны, они способны проходить громадные толщи, не оказывая никакого влияния.

Разрешение этого противоречия найдено было в том, что эта частица не заряжена. Если у частицы нет электрического заряда, то тогда на нее ничто не будет действовать, и сама она ни на что не будет действовать. Только тогда, когда она при своем движении наскочит где-нибудь на ядро, она его отбрасывает.

Таким образом, появились новые незаряженные частицы – нейтроны. Оказалось, что масса этой частицы примерно такая же, как масса частицы водорода – 1,0065 (на одну тысячную меньше протона, стало быть, энергия ее примерно на 1 млн электронвольт меньше). Эта частица похожа на протон, но только лишена положительного заряда, она нейтральна, ее назвали нейтроном.

Как только выяснилось существование нейтронов, было предложено совершенно иное представление о строении ядра. Оно было впервые высказано Д. Д. Иваненко, а затем развито, в особенности Гайзенбергом, получившим Нобелевскую премию прошлого года. В ядре могут находиться протоны и нейтроны. Можно было предположить, что ядро и составлено только из протонов и нейтронов. Тогда совсем по-другому, но совсем просто представляется все построение периодической системы. Как, например, надо себе представить уран? Его атомный вес 238, т. е. там 238 частичек. Но часть из них протоны, часть нейтроны. Каждый протон имеет положительный заряд, нейтроны совсем не имеют заряда. Если заряд урана – 92, то это значит, что 92 – протона, а все остальное – нейтроны. Это представление уже сейчас привело к ряду весьма замечательных успехов, сразу разъяснило целый ряд свойств периодической системы, которые раньше представлялись совершенно загадочными. Когда протонов и нейтронов немного, то, по современным представлениям волновой механики, нужно ожидать, что число протонов и нейтронов в ядре одинаково. Зарядом обладает только протон, и число протонов дает атомный номер. А атомный вес элемента – это сумма весов протонов и нейтронов, потому что и те и другие имеют по единице атомного веса. На этом основании можно сказать, что атомный номер – это половина атомного веса.

Теперь остается все-таки одно затруднение, одно противоречие. Это – противоречие, создаваемое бета-частицами.

ОТКРЫТИЕ ПОЗИТРОНА

Мы пришли к заключению, что в ядре нет ничего кроме положительно заряженного протона. А как же тогда выбрасываются из ядра отрицательные электроны, если там вообще никаких отрицательных зарядов нет? Как видите, мы попали в трудное положение.

Из него нас выводит опять-таки новый экспериментальный факт, новое открытие. Это открытие было сделано, пожалуй впервые, Д. В. Скобельцыным, который, давно уже изучая космические лучи, нашел, что среди зарядов, которые выбрасывают космические лучи, есть и положительные легкие частицы. Но это открытие настолько противоречило всему тому, что твердо было установлено, что Скобельцын сначала не придал своим наблюдениям такого толкования.

Следующим, кто открыл это явление, был американский физик Андерсен в Пасадене (Калифорния), а после него в Англии, в лаборатории Резерфорда, – Блэккет. Это – положительные электроны или, как их не очень удачно назвали, – позитроны. Что действительно это положительные электроны – можно проще всего видеть по их поведению в магнитном поле. В магнитном поле электроны отклоняются в одну сторону, а позитроны – в другую, и направление их отклонения определяет собою их знак.

Вначале позитроны наблюдались только при прохождении космических лучей. Совсем недавно те же Ирена Кюри и Жолио открыли новое замечательное явление. Оказалось, что существует новый тип радиоактивности, что ядра алюминия, бора, магния, сами по себе не радиоактивные, будучи бомбардированы альфа-лучами, становятся радиоактивными. В течение от 2 до 14 минут они продолжают сами собой испускать частицы, и эти частицы уже не альфа- и бета-лучи, а позитроны.

Теория позитронов была создана гораздо раньше, чем был найден сам позитрон. Дирак поставил себе задачу придать уравнениям волновой механики такую форму, чтобы они удовлетворяли и теории относительности.

Эти уравнения Дирака, однако, привели к очень странному следствию. Масса в них входит симметрично, т. е. при изменении знака массы на противоположный уравнения не изменяются. Эта симметрия уравнений относительно массы позволила Дираку предсказать возможность существования положительных электронов.

В то время никто положительных электронов не наблюдал, и существовала твердая уверенность, что положительных электронов нет (можно судить об этом по той осторожности, с которой подошли к данному вопросу и Скобельцын и Андерсен), поэтому теория Дирака была отвергнута. Спустя два года положительные электроны были на самом деле найдены, и, естественно, вспомнили о теории Дирака, предсказавшей их появление.

“МАТЕРИАЛИЗАЦИЯ” И “АННИГИЛЯЦИЯ”

Эта теория связана с целым рядом неосновательных толкований, которые обрастают ее со всех сторон. Мне хотелось бы здесь разобрать названный так по инициативе мадам Кюри процесс материализации – появление при прохождении гамма-лучей сквозь материю одновременно пары из положительного и отрицательного электрона 9. Этот опытный факт толкуют как превращение электромагнитной энергии в две частицы материи, которых раньше не существовало. Этот факт, следовательно, истолковывается как создание и исчезновение материи под влиянием тех иных лучей.

Но если ближе присмотреться к тому, что мы в действительности наблюдаем, то легко видеть, что такое толкование появления пар не имеет никаких оснований. В частности, в работе Скобельцына прекрасно видно, что появление пары зарядов под воздействием гамма-лучей происходит вовсе не в пустом пространстве, появление пар наблюдается всегда только в атомах. Следовательно, здесь мы имеем дело не с материализацией энергии, не с появлением какой-то новой материи, а только с разделением зарядов внутри той материи, которая уже существует в атоме. Где она находилась? Надо думать, что процесс расщепления положительного и отрицательного заряда происходит недалеко от ядра, внутри атома, но не внутри ядра (на сравнительно не очень большом расстоянии 10-10-10-11 см, тогда как радиус ядра 10-12-10-13 см).

Совершенно то же можно сказать и об обратном процессе “аннигиляции материи” – соединения отрицательного и положительного электрона с выделением одного миллиона электронвольт энергии в виде двух квантов электромагнитных гамма-лучей. И этот процесс происходит всегда в атоме, по-видимому вблизи его ядра.

Здесь мы подходим к возможности разрешения отмеченного уже нами противоречия, к которому приводит испускание бета-лучей отрицательных электронов ядром, которое, как мы думаем, электронов не содержит.

Очевидно, бета-частицы вылетают не из ядра, а благодаря ядру; благодаря выделению энергии внутри ядра около него происходит процесс расщепления на положительный и отрицательный заряды, причем отрицательный заряд выбрасывается, а положительный втягивается в ядро и связывается с нейтроном, образуя положительный протон. Таково предположение, которое высказывалось в последнее время.

Вот что мы знаем о составе атомного ядра.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение скажем несколько слов о дальнейших перспективах.

Если при изучении атомов мы дошли до некоторых границ, за которыми количественные изменения перешли в новые качественные свойства, то на границах атомного ядра перестают действовать и те законы волновой механики, которые мы обнаружили в атомной оболочке; в ядре начинают нащупываться очень еще неясные контуры новой, еще более обобщающей теории, по отношению к которой волновая механика представляет собой только одну сторону явления, другая сторона которого начинает сейчас открываться – и начинает, как всегда, с противоречий.

Работы над атомным ядром имеют и другую очень любопытную сторону, тесно переплетающу юся с развитием техники. Ядро очень хорошо защищено барьером Гамова от внешних воздействий. Если, не ограничиваясь только наблюдением распада ядер в радиоактивных процессах, мы захотели бы извне прорваться в ядро, перестроить его, то для этого потребовалось бы чрезвычай но мощное воздействие.

Задача о ядре самым настойчивым образом требует дальнейшего развития техники, перехода от тех напряжений, которые уже освоены высоковольтной техникой, от напряжений в несколько сотен тысяч вольт, к миллионам вольт. Создается новый этап и в технике. Это работа над созданием новых источников напряжения, в миллионы вольт, ведется сейчас во всех странах – и за границей и у нас, в частности в Харьковской лаборатории, которая первая начала эту работу, и в Ленинградском физико-техническом институте, и в других местах.

Проблема ядра – одна из самых актуальных проблем нашего времени в физике; над ней нужно с чрезвычайной интенсивностью и настойчивостью работать, и в этой работе необходимо обладать большой смелостью мысли. В своем изложении я указал несколько случаев, когда, переходя к новым масштабам, мы убеждались, что наши логические привычки, все наши представления, построенные на ограниченном опыте, не годятся для новых явлений и новых масштабов. Нужно преодолеть этот свойственный каждому из нас консерватизм здравого смысла. Здравый смысл – это концентрированный опыт прошлого; нельзя ожидать, что этот опыт полностью охватит и будущее. В области ядра больше, чем в какой-нибудь другой, приходится все время иметь в виду возможность новых качественных свойств и не бояться их. Мне кажется, что именно здесь должна сказаться мощь диалектического метода, лишенного этого консерватизма метода, предсказавшего и весь ход развития современной физики. Я, конечно, понимаю здесь под диалектическим методом не совокупность фраз, взятых из Энгельса. Не его слова, а их смысл нужно перенести в нашу работу; только один диалектический метод может нас продвинуть вперед в такой совершенно новой и передовой области, как проблема ядра.

КОММЕНТАРИИ К СТАТЬЕ

С момента написания статьи академиком А. Ф. Иоффе, основателем и первым директором ленинградского физико-технического института АН СССР, прошло семьдесят лет. За это время в физике произошли огромные изменения. Частицы, считавшиеся элементарными, оказались состоящими из других, более мелких частиц – кварков (см. “Наука и жизнь” № 8, 1994 г.). Изменилась научная терминология, появились новые факты и теории, иной стала общепринятая система физических единиц, по-другому пишутся имена и фамилии исследовате лей… Все это вызвало необходимость дать к публикуемой статье пояснения, без которых некоторые ее утверждения остались бы непонятыми.

1 Под пульсацией здесь имеется в виду волна де Бройля, сопоставленная с электроном. Круговое движение электрона в энергетическом уровне будет устойчивым, если на длине окружности укладывается целое число дебройлевских волн (см. рисунок).

2 В настоящее время повсеместно принята Интернациональная система единиц (СИ), единицей энергии в которой служит джоуль (Дж).

1 эрг = 10-7 Дж;

1 калория = 4,19 Дж;

1 электронвольт = 1,60. 10-19 Дж;

1 киловатт-час = 3,6.106 Дж.

3 Теорию бета-распада ядер (так по традиции называют один из основных типов радиоактивности) создал в том же 1934 году, но уже после выхода в свет журнала, Э. Ферми. При электронном (β) распаде один из нейтронов n ядра превращается в протон p, испуская электрон e и электронное антинейтрино ύe:

A(Z, N) → A(Z + 1, N – 1) + e + ύe,

где A – массовое число, Z – заряд ядра, N – число нейтронов.

При позитронном (β+) распаде протон превращается в нейтрон с испусканием позитрона e+ и электронного нейтрино νе:

A(Z, N) → A(Z – 1, N + 1) + e+ + νе.

По современным представлениям, бета-распад происходит под действием так называемо го слабого взаимодействия элементарных частиц и обусловлен превращением кварков. При β-распаде d-кварк нуклона превращается в u-кварк, при β+-распаде – наоборот.

4 Сегодня вместо выражения “атомные веса” употребляется термин “атомные массы”. Их значения для упомянутых элементов были уточнены и оказались тоже не целочисленными: углерод – 12,011, азот – примерно 14,007, кислород – 15,994, фтор – 18,998.

5 Сейчас известны 9 изотопов кислорода. Упомянутые в статье стабильны, остальные – короткоживущие изотопы, распадаются за время от 0,0089 (13О) до 122,24 (15О) секунды.

6 По определению, единицей количества материи (вещества) служит единица СИ – моль. Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же элементов (атомов, молекул, ионов и др.), сколько атомов содержится в изотопе углерода 12С массой 0,0012 кг.

7 Реакция синтеза гелия из водорода впервые была осуществлена только в 50-х годах в форме взрыва водородной (термоядерной) бомбы:

p + p → 3He + n + 3,3 Мэв,

где p – ядро атома водорода (протон), n – нейтрон.

Основы теории управляемого термоядерного синтеза заложили в 1950 году И. Е. Тамм и А. Д. Сахаров, предложив удерживать магнитным полем горячую плазму, образовавшуюся в результате реакций, среди которых идет и синтез гелия: d + t → 4He + n + +17,6 Мэв, где t – ядро трития, сверхтяжелого изотопа водорода 3Н. Эта идея привела к созданию термоядерных реакторов – стеллараторов и токамаков, в том числе строящегося ныне по международному проекту реактора ИТЕР (см. “Наука и жизнь” №№ 8, 9, 2001 г.). Кроме того, активно разрабатывается метод инерционного синтеза в лазерной искре (см. “Наука и жизнь” №№ 2, 4, 2003 г.). Все эти методы пока не вышли из стадии эксперимента.

8 Имеются в виду Ирен Жолио-Кюри, Фредерик Жолио-Кюри и Мария Склодовская -Кюри, известные французские физики, авторы пионерских работ в области ядерной физики и химии.

9 Здесь описано явление так называемой парной внутренней конверсии, единственное известное в то время, – его впервые наблюдали И. и Ф. Жолио-Кюри в 1933 году. Когда энергия налетающего гамма-кванта превышает удвоенную энергию покоя электрона в атоме (1,022 Мэв), может происходить образование электрон-позитронных пар (е+). Однако рождение пар может происходить и в отсутствие материи, в вакууме. Если напряженность электрического поля превышает 1015 В/см, в физическом вакууме возникают реальные парные частицы. Такие плотности энергии сегодня уже получены в коротких импульсах мощного лазерного излучения.

*В абсолютных единицах каждый грамм вещества представляет собой энергию: 1 грамм = 9×1020 эргов. Утверждая, что 0,999 массы атома заключено в ядре, мы тем самым утверждаем, что из всей энергии, которой обладает атом, 0,999 энергии заключается в ядре.

**Электронвольт = 1,59 x 10-12 эрга, или 1 эрг= = 6,28 x 1011 электронвольта: напр., энергия в 20 млн. электронвольт = 3,2 x 10-5 эрга.

Подписи к иллюстрациям

Опытные доказательства волновой природы материи

На рис. 1 изображена дифракция (расхождение) рентгеновских лучей. Узкий пучок рентгеновских лучей, проходя через пластинку кристалла, разделяется на ряд пучков, дающих на фотографической пластинке систему пятен. Волновая природа рентгеновских лучей несомненна, и все это явление вполне точно было предсказано немецким физиком Лауе в 1912 г., а его учениками Книппингом и Фридрихом в этом же году впервые были получены подобные снимки, называемые лауеграммами.

На рис. 2 тот же опыт произведен с узким пучком летяших с большой скоростью электронов. На пути пучка поставлена пластинка слюды. Электроны дают такую же дифракцию, как рентгеновские лучи. Пластинка слюды взята очень тонкая, поэтому расхождение пучков электронов определяется только атомами, расположенными на поверхности.

На рис. 3 пластинка слюды взята более толстая. Неправильное расположение кристаллов в отдельных слоях слюды кроме пятен дает еще образование сплошных кругов, ясно видных на фотографии.

На рис. 4 электроны проходят через порошок мелких кристаллов кубической решетки (кристаллы фтористого натрия). На фотографии получается ряд колец, свидетельствующих о волновом процессе, сопровождающем летяшие электроны. Этот опыт впервые был проделан Д. П. Томсоном в 1928 г. Из опытов с дифракцией рентгеновских лучей хорошо известны расстояния между атомами решетки различных кристаллов. Зная эти расстояния, можно по фотографиям, подобным изображенным на рис. 2 и 4, определить “длину волны” волнового процесса, сопровождающего летящий электрон. Вычисленная таким образом длина волны с большой точностью совпадает с длиной волны, вычисленной по формуле, данной де-Бройлем.

На рисунках 8 и 9 изображены пути электрона и позитрона по снимку И. Кюри и Жолио в камере Вильсона. Летящая заряженная частица в камере Вильсона производит на своем пути ионизацию воздуха. На ионизированных молекулах сгущаются капельки воды, образующие облачка тумана, благодаря которым путь частицы виден белой полоской. Если заряженная частица летит в магнитном поле, то путь ее изгибается. Направление изгиба зависит от заряда частицы. На верхнем рисунке видно, что в газе сразу образуются две частицы – электрон и позитрон, пути которых изгибаются в разные стороны. На нижнем рисунке видны пути позитрона и протона. Путь протона – в виде толстой полоски, а позитрона – в виде тонкой.

Росатом Госкорпорация «Росатом» ядерные технологии атомная энергетика АЭС ядерная медицина

С момента создания первого рентгеновского аппарата во всем мире началось бурное развитие радиационных технологий. На сегодня разработано огромное количество различных медицинских рентгеновских систем, позволяющих исследовать не только крупные внутренние органы человека, но и мелкие разветвленные кровеносные сосуды.

Практически в каждой серьезной больнице во всех уголках нашей планеты используются диагностические инструменты, к примеру аппараты для флюорографии, в основе которых — Х-лучи.

Открытие Вильгельма Рентгена уже сохранило здоровье сотням миллионов людей. Таково одно из неотъемлемых свойств радиационных технологий — спасать жизни. А рентгеновский аппарат стал прародителем новой современной медицинской отрасли.


Медицинский осмотр основного состава футбольного клуба «Зенит».

Своевременная и точная диагностика

Диагностика и лечение болезней с помощью свойств радиации называется ядерной медициной.

«Без ядерной медицины сегодня жить невозможно, поскольку речь идет о безопасном и эффективном методе диагностики и лечения с применением современных технологий», – сказал Арам Аветисов, кандидат медицинских наук, доцент кафедры радиационной медицины и экологии Белорусского государственного медицинского университета

Как известно, если смертельную болезнь врачи обнаружили на самой ранней стадии, то шансы на выздоровление у пациентов возрастают многократно. С помощью специальных подготовленных медицинских препаратов с радиоактивными изотопами внутри (радиофармпрепаратов или РФП) врачи научились выявлять на клеточном уровне самые первые признаки тяжелых заболеваний, к примеру онкологических.

Радиофармпрепараты совершенно безопасны для человека, их прием не вызывает никаких болевых ощущений. Но эффект применения феноменален: слабое радиоактивное излучение, идущее изнутри организма и принимаемое специальными камерами, расположенными в нескольких сантиметрах от тела человека, дает доктору точнейшую информацию о патологиях и отклонениях во внутренних органах и тканях пациента.


Центр по производству радиофармпрепаратов для позитронно-эмиссионной томографии в Ельце.

Такая диагностика называется томографией (позитронно-эмиссионной, ПЭТ, или однофотонной эмиссионной компьютерной) и занимает всего несколько минут. Полученная с ее помощью информация уникальна и позволяет выявить проблемы в работе щитовидной железы, сердца, почек, легких, желудка, кровообращения. Мельчайшие переломы костей, признаки болезни Паркинсона и Альцгеймера и многое другое можно обнаружить в ходе данного сканирования.

В России производят большое количество нужных врачам радиоактивных изотопов, в том числе «рабочую лошадку ядерной медицины», самый используемый изотоп Технеций-99 (99mTc). Развивается и специальная диагностическая техника для использования РФП. Российский институт НИИТФА (входит в Росатом) создал опытный образец отечественного позитронно-эмиссионного томографа, который сейчас проходит испытания.

Победить смертельную болезнь

Ядерная медицина была бы неполноценной, если бы не выполняла лечебные функции. Помогает она даже в тех случаях, когда все остальные отрасли медицины бессильны.

«Ядерная медицина является неотъемлемым и эффективным средством борьбы за здоровье человека», – сказал Валентин Смирнов, академик РАН

После того как в первой половине XX века ученые сумели с помощью радиоактивного йода убить раковые клетки в щитовидной железе, использование радиации для лечения онкологических заболеваний стало передовым направлением медицины.

Врачи либо вводят в тело пациента радиоактивные источники, излучение которых эффективно уничтожает раковые клетки и при этом не вредит пациенту, либо источник излучения помещают непосредственно на поверхности тела без нарушения целостности тканей.

Ученые Росатома в 2017 году получили премию Правительства Российской Федерации в области науки и техники за разработку импортозамещающих микроисточников с изотопом йод-125 для лечения онкологических заболеваний с помощью внутритканевой лучевой терапии (брахитерапии) — самого современного, высокотехнологичного и минимально инвазивного метода лечения рака.

К примеру, в ходе процедуры брахитерапии простаты в микроисточнике размером с рисовое зернышко прямо в больной орган доставляется радиоактивный изотоп йод-125, убивающий раковые клетки. А при лечении онкологических заболеваний глаз специальная накладка (офтальмоаппликатор) с радиоактивным изотопом стронций-90, рутений-106 или тем же йод-125 прикрепляется к глазному яблоку на несколько суток.

Сейчас российские ученые работают над созданием новых препаратов на основе изотопов рений-188 и иттрий-90 для терапии неходжкинской лимфомы (одного из видов рака лимфатической системы), злокачественных опухолей печени, а также рака костей.

Передовые технологии лечения

Врачи убивают болезни не только с помощью вводимых в организм изотопных препаратов, но применяют и лучевую терапию, когда с помощью особых медицинских устройств раковые клетки обстреливаются рентгеновским излучением высокой энергии, быстрыми электронами, протонами или нейтронами. Более 80% пациентов с онкологическими заболеваниями проходят такую терапию, это золотой стандарт в лечении рака.

Подобные системы постоянно совершенствуются для достижения лучшего эффекта. К примеру, с помощью новейшей системы «Кибернож» губительное для злокачественных клеток излучение с высокой точностью доставляется непосредственно в опухоль, не повреждая здоровые ткани. «Кибернож» позволяет бороться даже с метастазами в головном мозге.


Демонстрация установки «Кибернож» в рамках проведения лучевой терапии в Московском онкологическом НИИ им. П. А. Герцена.

С помощью радиационных технологий врачи готовят к использованию медицинские инструменты и препараты. Ионизирующим излучением специалисты стерилизуют перевязочные и шовные материалы, лекарства, в том числе антибиотики и гормоны, биологические ткани, одноразовые медицинские шприцы и системы службы крови: трубки, капельницы, фильтры, иглы, зажимы, сделанные из различных полимерных материалов и металла.

Ядерная медицина уже спасла миллионы жизней во всем мире. Без нее невозможно представить будущую победу человечества над самыми страшными болезнями.

Новая технология источника холодного атома позволяет создавать портативные квантовые устройства

Исследователи разработали источник холодных атомов, в котором используются четыре зеркала, расположенные в виде пирамиды и размещенные таким образом, чтобы они могли скользить друг мимо друга, как лепестки цветка. Это создает регулируемое отверстие на вершине пирамиды, через которое выталкиваются холодные атомы. Изображения показывают рендеринг. Авторы и права: Кристофер Фут, Оксфордский университет

.

Технологический прогресс может позволить использовать космические атомные часы, улучшить связь и GPS-навигацию.

Хотя квантовая технология доказала свою ценность для высокоточного хронометража, ее практическое применение в различных средах по-прежнему остается ключевой проблемой. Сделав важный шаг на пути к портативным квантовым устройствам, исследователи разработали новый высокопоточный и компактный источник холодных атомов с низким энергопотреблением, который может стать ключевым компонентом многих квантовых технологий.

«Использование квантовых технологий, основанных на атомах, охлаждаемых лазером, уже привело к разработке атомных часов, которые используются для хронометража на национальном уровне», — сказал руководитель исследовательской группы Кристофер Фут из Оксфордского университета в США.К. «Точные часы имеют множество приложений для синхронизации электронных коммуникаций и навигационных систем, таких как GPS. Компактные атомные часы, которые можно развернуть более широко, в том числе в космосе, обеспечивают устойчивость коммуникационных сетей, поскольку локальные часы могут поддерживать точное время даже в случае сбоя сети».

В журнале The Optical Society (OSA) Optics Express С. Равенхолл, Б. Юэн и Фут описывают работу, проведенную в Оксфорде, Великобритания.для демонстрации совершенно новой конструкции источника холодных атомов. Новое устройство подходит для широкого спектра технологий холодного атома.

«В этом проекте мы взяли дизайн, созданный нами для исследовательских целей, и превратили его в компактное устройство», — сказал Фут. «В дополнение к приложениям для хронометража компактные устройства с холодным атомом также могут использоваться в качестве инструментов для гравитационного картирования, инерциальной навигации и связи, а также для изучения физических явлений в исследовательских приложениях, таких как темная материя и гравитационные волны.

Охлаждение атомов светом

Хотя это может показаться нелогичным, лазерный свет можно использовать для охлаждения атомов до чрезвычайно низких температур за счет приложения силы, замедляющей атомы. Этот процесс можно использовать для создания источника холодных атомов, который генерирует пучок атомов, охлажденных лазером, направленный в область, где, например, проводятся точные измерения для хронометража или обнаружения гравитационных волн.

Исследователи разработали источник холодных атомов, в котором используются четыре зеркала, расположенные в виде пирамиды и размещенные таким образом, чтобы они могли скользить друг мимо друга, как лепестки цветка.Это создает регулируемое отверстие на вершине пирамиды, через которое выталкиваются холодные атомы. На этом изображении изображено устройство. Авторы и права: Кристофер Фут, Оксфордский университет

.

Лазерное охлаждение обычно требует сложного расположения зеркал, чтобы освещать атомы в вакууме со всех сторон. В новой работе исследователи создали совершенно другую конструкцию, в которой используются всего четыре зеркала. Эти зеркала устроены как пирамида и размещены таким образом, что позволяют им скользить друг мимо друга, как лепестки цветка, чтобы создать отверстие на вершине пирамиды, через которое выталкиваются холодные атомы.Размер этого отверстия можно регулировать, чтобы оптимизировать поток холодных атомов для различных приложений. Пирамидальная конструкция отражает свет от одного входящего лазерного луча, который входит в вакуумную камеру через одно окно просмотра, что значительно упрощает оптику.

Зеркала, расположенные внутри вакуумной области источника холодных атомов, созданы путем полировки металла и нанесения диэлектрического покрытия. «Регулируемость этой конструкции — совершенно новая функция», — сказал Фут.«Создание пирамиды из четырех одинаковых полированных металлических блоков упрощает сборку, и ее можно использовать без механизма регулировки».

Более качественные измерения с большим количеством атомов

Чтобы протестировать новую конструкцию источника холодных атомов, исследователи сконструировали лабораторное оборудование, чтобы полностью охарактеризовать поток атомов, испускаемых через отверстие на вершине пирамиды.

«Мы продемонстрировали исключительно высокий поток атомов рубидия, — сказал Фут. «Большинство устройств с холодными атомами производят измерения, которые улучшаются с количеством используемых атомов.Таким образом, источники с более высоким потоком можно использовать для повышения точности измерений, повышения отношения сигнал/шум или увеличения полосы пропускания измерений».

Исследователи говорят, что новый источник подходит для коммерческого применения. Поскольку он состоит из небольшого количества компонентов и нескольких этапов сборки, масштабирование производства для производства нескольких копий будет несложным.

Ссылка: «Высокопоточный регулируемый компактный источник холодного атома», авторы Шон Равенхолл, Бенджамин Юэн и Крис Фут, 21 июня 2021 г., Optics Express .
DOI: 10.1364/OE.423662

Лазерная лаборатория следового анализа и прецизионных измерений

Атомные устройства

Атомные устройства появляются в результате сочетания атомной спектроскопии с технологией миниатюризации. Это поле появилось благодаря работе группы Джона Китчинга в NIST над миниатюрными атомными часами в 2004 году. Вдохновленные группой NIST ADI, мы сохранили название атомных устройств и сосредоточились на смежной работе. В задачи нашей работы входит: улучшение чувствительности и стабильности устройств, стандартизация миниатюрных устройств и помощь в решении связанных с ними научных задач. В нашей группе три исследовательские темы:

1. Миниатюрный атомный магнитометр

Мы используем атомные магнитометры для получения информации о внешних полях путем измерения реакции атомных спинов. Желательны высокочувствительные датчики для измерения слабого поля (<100 нТл) с низкой стоимостью и низким энергопотреблением. На рисунке ниже показана первая версия датчика USTC, основанная на механизме SERF. Его размеры 20 мм×20 мм×35 мм, температура ячейки 150°С, мощность нагрева менее 1.5 Вт, мощность лазера менее 2 мВт, полоса пропускания замкнутого контура более 100 Гц и чувствительность к магнитному полю около 25 фТл/Гц1/2 при 10 Гц.

2. Атомные устройства с многоходовыми резонаторами

В этой теме мы хотим улучшить чувствительность сенсора, не увеличивая его размеры. А пока мы хотим стандартизировать производство датчика, чтобы избавиться от сложного и трудоемкого процесса оптической настройки.В качестве многопроходного резонатора мы выбрали компактный резонатор Эрриота, который имеет плотные оптические диаграммы в ограниченном пространстве. На рисунке ниже показаны смоделированные оптические пути внутри одной из этих полостей.

Мы адаптируем технологию анодного склеивания для производства ячеек. В условиях высокой температуры и высокого напряжения через кремниевую пластину и зеркала резонатора протекает ток, образуя прочную химическую связь на границе раздела этих двух материалов.Ячейку, основанную на этой технологии, можно легко использовать с предварительно разработанной платформой для 3D-печати, как показано на следующем рисунке.

Кроме того, мы установили вакуумную систему для анодного соединения, чтобы мы могли реализовать полностью стандартизированное производство атомной ячейки внутри вакуума. Образец ячейки показан на следующем рисунке.

3.Атомный сомагнитометр

Атомный комагнетометр состоит из двух магнитометров, которые одновременно измеряют внешние поля в одном и том же месте. Такая установка может в значительной степени подавить дрейф и шум от внешнего поля. Мы сосредоточимся на гибридной системе ядерный спин/электронный спин, в которой атомы ядерного спина гиперполяризованы атомами электронного спина в результате спин-обменных столкновений. Между тем, как показано на следующем рисунке, мы можем использовать поляризованные атомы с электронным спином в качестве чувствительного магнитометра для обнаружения сигналов прецессии от поляризованных атомов с ядерным спином.Используя системы изотопов Xe-Rb, мы работаем над созданием миниатюрного атомного гироскопа ядерного магнитного резонанса и поиском аномальных связей с ядерным вращением.

Класс устройств нейтрального атома  | Цирк  | Google Квантовый ИИ

Это учебное пособие представляет собой введение в создание схем, совместимых с устройствами с нейтральным атомом.

Устройства с нейтральным атомом реализуют квантовые вентили одним из двух способов. Один из методов заключается в воздействии микроволн на весь массив кубитов для одновременного воздействия на каждый кубит. Этот метод реализует глобальные вентили \(XY\), выполнение которых занимает до \(100\) микросекунд. В качестве альтернативы мы можем посветить лазерным светом на некоторую часть массива. Для работы шлюзов этого типа обычно требуется около \(1\) микросекунды. Этот метод может воздействовать на один или несколько кубитов одновременно до некоторого предела, определяемого доступной мощностью лазера и системой управления лучом, используемой для адресации кубитов.Каждая категория в собственном наборе ворот имеет свой предел, подробнее обсуждаемый ниже.

  попробуйте:
    импортный цирк
кроме ошибки импорта:
    print("установка цикла...")
    !pip установить cirq --quiet
    print("установлено обр.")
  
  из математического импорта пи

импортный цирк
  

Определение устройства

NeutralAtomDevice

Чтобы определить NeutralAtomDevice , мы указываем

  • Набор кубитов в устройстве.
  • Максимальная продолжительность ворот и измерений.
  • max_parallel_z : Максимальное количество вращений одного кубита \(Z\), которые можно применять параллельно.
  • max_parallel_xy : Максимальное количество вращений одного кубита \(XY\), которые можно применять параллельно.
  • max_parallel_c : Максимальное количество атомов, на которые могут одновременно воздействовать управляемые ворота.
    • Обратите внимание, что max_parallel_c должно быть меньше или равно минимуму max_parallel_z и max_parallel_xy .
  • control_radius : Максимально допустимое расстояние между атомами, на которые воздействуют управляемые ворота.

Ниже показан пример определения NeutralAtomDevice .

  """Определение NeutralAtomDevice."""
# Определите миллисекунды и микросекунды для удобства.
мс = cirq.Duration (нанос = 10 ** 6)
us = cirq.Duration(nanos=10**3)

# Создаем NeutralAtomDevice
нейтральный_атом_устройство = cirq.NeutralAtomDevice(
    кубиты=cirq.GridQubit.прямоугольник (2, 3),
    измерение_длительность=5 * мс,
    gate_duration=100 * нас,
    max_parallel_z=3,
    макс_параллель_ху=3,
    макс_параллель_с=3,
    control_radius=2
)
  

Обратите внимание, что все приведенные выше аргументы необходимы для создания экземпляра NeutralAtomDevice . Пример устройства выше имеет следующие свойства:

  • Устройство определено на \(3 \x 3\) сетке кубитов.
  • Измерения занимают \(5\) миллисекунд.
  • Гейты могут занимать до \(100\) микросекунд, если мы используем глобальные микроволновые вентили.В противном случае более разумной границей будет \(1\) микросекунда.
  • Любая категория ворот может одновременно воздействовать максимум на \(3\) кубитов ( max_parallel_c = 3 ).
  • Контролируемые шлюзы имеют подключение к следующему ближайшему соседу ( control_radius = 2 ).

Мы можем увидеть некоторые свойства устройства следующим образом.

  """Просмотреть некоторые свойства устройства."""
# Показать устройство нейтрального атома.
print("Устройство нейтрального атома:", нейтральный_атом_устройство, sep="\n")

# Получить соседей кубита.кубит = cirq.GridQubit(0, 1)
print(f"\nСоседи кубита {кубит}:")
печать (neutral_atom_device.neighbors_of (кубит))
  
Устройство нейтрального атома:
(0, 0)───(0, 1)───(0, 2)
│ │ │
│ │ │
(1, 0)───(1, 1)───(1, 2)

Соседи кубита (0, 1):
[cirq.GridQubit(1, 1), cirq.GridQubit(0, 2), cirq.GridQubit(0, 0)]
 

Родной комплект ворот

Шлюзы, поддерживаемые классом NeutralAtomDevice , можно разделить на три категории:

  1. Вращение одного кубита вокруг оси \(Z\).
  2. Однокубитные вращения вокруг произвольной оси в плоскости \(X\)-\(Y\). В этом руководстве мы называем их воротами \(XY\).
  3. Управляемые ворота: CZ, CNOT, CCZ и CCNOT (TOFFOLI).

Для вращения одного кубита допускается любой угол поворота. Некоторые примеры допустимых поворотов одного кубита показаны ниже.

  """Примеры допустимых однокубитных вентилей."""
# Вращение одного кубита по оси Z допустимо под любым углом.
нейтральный_атом_устройство.validate_gate(cirq.гз (пи / 5))

# Вращение одного кубита вокруг оси X-Y под любым углом допустимо.
нейтральный_атом_устройство.validate_gate(
    cirq.PhasedXPowGate (phase_exponent = pi / 3, exponent = pi / 7)
)
  

Вентиль Адамара недействителен, так как он вращается в плоскости \(X\)-\(Z\), а не в плоскости \(X\)-\(Y\).

  """Пример недопустимого однокубитного вентиля. """
invalid_gate = cirq.H

пытаться:
    нейтральный_атом_устройство.validate_gate(invalid_gate)
кроме ValueError как e:
    print(f"Как и ожидалось, {invalid_gate} недействителен!", e)
  
Как и ожидалось, H недействителен! Неподдерживаемые ворота: цирк.ЧАС
 

Для управляемых ворот поворот должен быть кратен \(\pi\) из-за физической реализации ворот. В Cirq это означает, что показатель степени управляемого вентиля должен быть целым числом. В следующей ячейке показаны два примера допустимых управляемых ворот.

  """Примеры допустимых многокубитных вентилей."""
# Управляемые вентили с целочисленными показателями допустимы.
нейтральный_атом_устройство.валидат_гейт(цирк.CNOT)

# Управляемые вентили НЕ с двумя элементами управления допустимы.
нейтральное_атомное_устройство.validate_gate(цирк.ТОФФОЛИ)
  

Любой управляемый вентиль с нецелочисленным показателем недействителен.

  """Пример недействительных управляемых ворот."""
invalid_gate = cirq.CNOT ** 1.5

пытаться:
    нейтральный_атом_устройство.validate_gate(invalid_gate)
кроме ValueError как e:
    print(f"Как и ожидалось, {invalid_gate} недействителен!", e)
  
Как и ожидалось, CNOT**1.5 недействителен! управляемые ворота должны иметь целые показатели
 

Допускается множественное управление, если каждая пара атомов (кубитов), на которые действует управляемый вентиль, находится достаточно близко друг к другу.Мы можем увидеть это, используя метод validate_operation (или validate_circuit ), как показано ниже.

  """Примеры действительных и недействительных мультиуправляемых ворот."""
# Это TOFFOLI верно, потому что все задействованные кубиты достаточно близки друг к другу. 
valid_toffoli = cirq.TOFFOLI.on(cirq.GridQubit(0, 0), cirq.GridQubit(0, 1), cirq.GridQubit(0, 2))
нейтральный_атом_устройство.validate_operation(valid_toffoli)

# Этот TOFFOLI недействителен, поскольку все задействованные кубиты недостаточно близки друг к другу.invalid_toffoli = cirq.TOFFOLI.on(cirq.GridQubit(0, 0), cirq.GridQubit(1, 0), cirq.GridQubit(0, 2))

пытаться:
    нейтральный_атом_устройство.validate_operation(invalid_toffoli)
кроме ValueError как e:
    print(f"Как и ожидалось, {invalid_toffoli} недействителен!", e)
  
Как и ожидалось, TOFFOLI((0, 0), (1, 0), (0, 2)) недействителен! Кубиты cirq.GridQubit(1, 0), cirq.GridQubit(0, 2) слишком далеко
 

NeutralAtomDevice в настоящее время не поддерживают шлюзы с более чем двумя элементами управления, хотя в принципе это разрешено физическими реализациями.

  """Любые ворота с более чем двумя элементами управления недействительны. """
invalid_gate = cirq.ControlledGate(cirq.TOFFOLI)

пытаться:
    нейтральный_атом_устройство.validate_gate(invalid_gate)
кроме ValueError как e:
    print(f"Как и ожидалось, {invalid_gate} недействителен!", e)
  
Как и ожидалось, CTOFFOLI недействителен! Неподдерживаемые ворота: cirq.ControlledGate(sub_gate=cirq.TOFFOLI)
 

Наконец, отметим, что продолжительность любой операции можно определить с помощью метода duration_of .

  """Пример получения продолжительности допустимой операции."""
нейтральный_атом_устройство.duration_of(valid_toffoli)
  
cirq.Duration (микро = 100)
 

Правила моментов и цепей

В дополнение к состоящим из действительных операций, как обсуждалось выше, действительные моменты на NeutralAtomDevice должны удовлетворять следующим критериям:

  1. В один и тот же момент может быть выполнено только max_parallel_c вентилей одной категории.
  2. Все экземпляры ворот одной категории в один и тот же момент должны быть идентичными.
  3. Управляемые ворота нельзя применять параллельно с другими типами ворот.
    • Физически это связано с тем, что управляемые врата используют все типы света, используемые для реализации ворот.
  4. Кубиты, на которые параллельно воздействуют разные управляемые ворота, должны быть дальше друг от друга, чем control_radius .
    • Физически это сделано для того, чтобы механизм запутывания не мешал воротам мешать друг другу.
  5. Все измерения должны быть терминальными.

Моменты можно проверить с помощью метода validate_moment . Некоторые примеры приведены ниже.

  """Пример допустимого момента с вентилями с одним кубитом."""
кубиты = отсортированные (нейтральное_атомное_устройство. кубиты)

# Получить действительный момент.
valid_moment = cirq.Moment (cirq.Z.on_each (кубиты [:3]) + cirq.X.on_each (кубиты [3:6]))

# Показать его.
print("Пример допустимого момента с однокубитными вентилями:", cirq.Circuit(valid_moment), sep="\n\n")

# Убедитесь, что он действителен.нейтральный_атом_устройство.validate_moment (действительный_момент)
  
Пример действительного момента с однокубитными вентилями:

(0, 0)&двоеточие; ───Z───

(0, 1)&двоеточие; ───Z───

(0, 2)&двоеточие; ───Z───

(1, 0)&двоеточие; ───Х───

(1, 1)&двоеточие; ───Х───

(1, 2)&двоеточие; ───Х───
 

Напомним, что мы определили max_parallel_z = 3 в нашем устройстве. Таким образом, если бы мы попытались сделать 4 ворот \(Z\) в один и тот же момент, это было бы недействительным.

  """Пример недопустимого момента с вентилями с одним кубитом."""
# Получить неверный момент. 
invalid_moment = cirq.Moment (cirq.Z.on_each (кубиты [: 4]))

# Показать его.
print("Пример недопустимого момента с однокубитными вентилями:", cirq.Circuit(invalid_moment), sep="\n\n")

# Раскомментирование вызывает ValueError: Слишком много одновременных Z-ворот.
# нейтральный_атом_устройство.validate_moment (недействительный_момент)
  
Пример недопустимого момента с однокубитными вентилями:

(0, 0)&двоеточие; ───Z───

(0, 1)&двоеточие; ───Z───

(0, 2)&двоеточие; ───Z───

(1, 0)&двоеточие; ───Z───
 

Это также верно для 4 вентилей \(XY\), так как мы установили max_parallel_xy = 3 .{1.5}\) являются действительными воротами, они не могут выполняться одновременно, потому что все ворота «одного типа» должны быть одинаковыми в один и тот же момент.

  """Пример недопустимого момента с вентилями с одним кубитом."""
# Получить неверный момент. -1───
 

Это верно для всех правил устройств.В качестве другого примера мы можем видеть, как Cirq отделяет управляемые ворота от других типов ворот (третье правило выше).

  """Cirq автоматически удовлетворяет ограничениям устройств при добавлении операций."""
# Создайте схему для NeutralAtomDevice.
цепь = цепь. Цепь (устройство = нейтральное_атомное_устройство)

# Добавить два гейта, которые не могут быть в один и тот же момент.
Circuit.append([cirq.Z(кубиты[0]), cirq.CNOT(*кубиты[1: 3])])

# Показать схему.
печать (схема)
  
(0, 0)&двоеточие; ───Z───────

(0, 1)&двоеточие; ───────@───
               │
(0, 2)&двоеточие; ───────Х───
 

Без каких-либо ограничений по устройствам операции Z и CNOT могут выполняться в один и тот же момент, но поскольку цепь определена на NeutralAtomDevice , CNOT помещается в новый момент.

Упражнение: Несколько управляемых ворот в один и тот же момент

Создайте NeutralAtomDevice , способный реализовать два CNOT в один и тот же момент. Убедитесь, что эти операции действительно могут выполняться параллельно, вызвав метод validate_moment или показав, что Cirq вставляет операции в один и тот же момент.

  # Ваш код здесь!
  
Решение
  """Пример решения для создания устройства, позволяющего одновременно использовать два CNOT."""
# Создайте NeutralAtomDevice.
устройство = cirq.NeutralAtomDevice(
    кубиты=cirq.GridQubit.rect(2, 3),
    Measurement_duration=5 * circ.Duration(нанос=10**6),
    gate_duration=100 * cirq. Duration(nanos=10**3),
    max_parallel_z=4,
    max_parallel_xy=4,
    макс_параллель_с=4,
    control_radius=1
)
печатать("Устройство:")
печать (устройство)

# Создайте схему для NeutralAtomDevice.
цепь = цепь. Цепь (устройство = устройство)

# Добавить два CNOT, которые могут быть в один и тот же момент.
схема. добавить (
    [цирк.CNOT(цирк.GridQubit(0, 0), cirq.GridQubit(1, 0)),
     cirq.CNOT(cirq.GridQubit(0, 2), cirq.GridQubit(1, 2))]
)

# Добавить два CNOT, которые не могут быть в один и тот же момент.
схема. добавить (
    [cirq.CNOT(cirq.GridQubit(0, 0), cirq.GridQubit(1, 0)),
     cirq.CNOT(cirq.GridQubit(0, 1), cirq.GridQubit(1, 1))]
)

# Показать схему.
print("\nКонтур:")
печать (схема)
  
Устройство&двоеточие;
(0, 0)───(0, 1)───(0, 2)
│ │ │
│ │ │
(1, 0)───(1, 1)───(1, 2)

Цепь&двоеточие;
           ┌──┐
(0, 0)&двоеточие; ────@─────@───────
            │ │
(0, 1)&двоеточие; ────┼─────┼───@───
            │ │ │
(0, 2)&двоеточие; ────┼@────┼───┼───
            ││ │ │
(1, 0)&двоеточие; ────X┼────X───┼───
             │ │
(1, 1)&двоеточие; ─────┼────────X───
             │
(1, 2)&двоеточие; ─────X────────────
           └──┘
 

Обратите внимание, что квадратные скобки над/под схемой указывают на то, что первые два CNOT находятся в один и тот же момент.

Операции декомпозиции и схемы

Недопустимые операции можно разложить на допустимые с помощью метода decompose_operation . Например, выше мы видели, что cirq.H был недействительным гейтом для NeutralAtomDevice . Это можно разложить на допустимые операции следующим образом.

  """Пример декомпозиции операции."""
# Декомпозиция операции Адамара.
ops = нейтральный_атом_устройство.декомпозировать_операция (цирк.Х.он (кубиты [0]))

# Показать схему.print("Схема для H на NeutralAtomDevice:\n")
cirq.Circuit(ops, device=neutral_atom_device)
  
Цепь H на устройстве NeutralAtomDevice:
 

Двухкубитные и другие операции можно разложить аналогичным образом, например FSimGate ниже.

  """Еще один пример декомпозиции операции."""
# Разложить операцию FSimGate.
ops = нейтральный_атом_устройство.декомпозировать_операция(
    cirq.FSimGate(theta=0.1, phi=0.3).on(cirq.GridQubit(0, 0), cirq.GridQubit(1, 0))
)

# Показать схему.
print("Схема для FSim на NeutralAtomDevice:\n")
cirq.Circuit(ops, device=neutral_atom_device)
  
Схема для FSim на устройстве NeutralAtomDevice:
 
Примечание: Как и в случае с любой предлагаемой архитектурой для квантовых вычислений, несколько исследовательских групп по всему миру работают над созданием устройства на основе нейтральных атомных кубитов. У каждой исследовательской группы свой подход, например, использование разных видов атомов или работа с разным количеством измерений массивов атомных кубитов.Таким образом, класс NeutralAtomDevice не будет точно отражать все такие устройства. Класс основан на двумерном массиве цезия в Университете Висконсин-Мэдисон в исследовательской группе Марка Саффмана. Разработка этого устройства ведется в рамках стратегического партнерства между Висконсинским университетом в Мэдисоне и компанией ColdQuanta.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее распространенные причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

Квантовое машинное обучение с использованием фрагментов на основе атомов в молекулах, выбранных на лету

  • Feynman, R.П., Лейтон, Р. Б. и Сэндс, М. Фейнмановские лекции по физике Vol. 1 (Аддисон-Уэсли, 1963).

  • Мартин, Р. М. Электронная структура: основная теория и практические методы (издательство Кембриджского университета, 2004).

  • Рис, Дж. Б. и др. Биология Кэмпбелла (Пирсон Бостон, 2011).

  • Рупп М., Ткатченко А., Мюллер К.-Р. и фон Лилиенфельд, О. А. Быстрое и точное моделирование энергий атомизации молекул с помощью машинного обучения. Физ. Преподобный Летт. 108 , 058301 (2012).

    ПабМед Google ученый

  • Хансен К., Биглер Ф., фон Лилиенфельд О.А., Мюллер К.-Р. и Ткатченко А. Потенциалы взаимодействия в молекулах и нелокальная информация в химическом пространстве. J. Phys. хим. лат. 6 , 2326 (2015).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Хуан Б.и фон Лилиенфельд, О. А. Сообщение: Понимание молекулярных представлений в машинном обучении: роль уникальности и целевого сходства. J. Chem. физ. 145 , 161102 (2016).

    ПабМед Google ученый

  • Пилания, Г., Ван, К., Цзян, X., Раджасекаран, С. и Рампрасад, Р. Ускорение прогнозирования свойств материалов с помощью машинного обучения. Науч. 3 , 2810 (2013).

    ПабМед ПабМед Центральный Google ученый

  • Мередиг Б. и др. Комбинаторный скрининг новых материалов в неограниченном композиционном пространстве с помощью машинного обучения. Физ. Ред. B 89 , 094104 (2014).

    Google ученый

  • Пайзер-Кнапп, Э. О., Ли, К. и Аспуру-Гузик, А. Уроки Гарвардского проекта экологически чистой энергии: использование нейронных сетей для ускорения поиска материалов. Доп. Функц. Мат. 25 , 6495–6502 (2015).

    КАС Google ученый

  • Фабер, Ф. А., Линдмаа, А., фон Лилиенфельд, О. А. и Армиенто, Р. Энергия машинного обучения 2 миллионов эльпасолитов ( ABC 2 D 6 9053 Физ. Преподобный Летт. 117 , 135502 (2016).

    ПабМед Google ученый

  • Де, С., Барток А.П., Чаньи Г. и Чериотти М. Сравнение молекул и твердых тел в структурном и алхимическом пространстве. Физ. хим. хим. физ. 18 , 13754–13769 (2016).

    КАС пабмед Google ученый

  • Шутт К.Т., Арбабзадах Ф., Чмиела С., Мюллер К.Р. и Ткатченко А. Квантово-химические выводы из глубоких тензорных нейронных сетей. Нац. коммун. 8 , 13890 (2017).

    ПабМед ПабМед Центральный Google ученый

  • Се, Т. и Гроссман, Дж. К. Сверточные нейронные сети на кристаллическом графе для точного и интерпретируемого прогнозирования свойств материалов. Физ. Преподобный Летт. 120 , 145301 (2018).

    КАС пабмед Google ученый

  • Смит, Дж. С., Исаев, О. и Ройтберг, А. Е. АНИ-1: потенциал расширяемой нейронной сети с точностью ТПФ при стоимости вычисления силового поля. Хим. науч. 8 , 3192–3203 (2017).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Шутт, К.Т., Соседа, Х.Е., Киндерманс, П.-Дж., Ткатченко, А. и Мюллер, К.-Р. SchNet — архитектура глубокого обучения для молекул и материалов. J. Chem. физ. 148 , 241722 (2018).

    КАС пабмед Google ученый

  • Губаев К., Подрябинкин Е. В., Шапеев А. В. Машинное обучение молекулярным свойствам: локальность и активное обучение. J. Chem. физ. 148 , 241727 (2018).

    ПабМед Google ученый

  • Imbalzano, G. et al. Автоматический выбор атомарных отпечатков пальцев и эталонных конфигураций для возможностей машинного обучения. J. Chem. физ. 148 , 241730 (2018).

    ПабМед Google ученый

  • Херс, В.& Stechel, EB Order- N методы самосогласованных расчетов функционала плотности. Физ. Ред. B 50 , 17811–17819 (1994).

    КАС Google ученый

  • Гедекер, С. Методы линейного масштабирования электронной структуры. Ред. Мод. физ. 71 , 1085–1123 (1999).

    КАС Google ученый

  • Гордон М.С., Федоров Д. Г., Прюитт С. Р., Слипченко Л. В. Методы фрагментации: путь к точным расчетам в больших системах. Хим. 112 , 632–672 (2012).

    КАС пабмед Google ученый

  • Faber, F. A. et al. Ошибки прогнозирования моделей молекулярного машинного обучения ниже, чем ошибка гибридного ДПФ. J. Chem. Теория вычисл. 13 , 5255–5264 (2017).

    КАС пабмед Google ученый

  • Продан, Э.& Кон, В. Близорукость электронной материи. Проц. Натл акад. науч. США 102 , 11635–11638 (2005 г.).

    КАС пабмед Google ученый

  • Fias, S., Heidar-Zadeh, F., Geerlings, P. & Ayers, P.W. Химическая переносимость функциональных групп следует из близорукости электронной материи. Проц. Натл акад. науч. США 114 , 11633–11638 (2017).

    КАС пабмед Google ученый

  • Хере В.Дж., Дитчфилд Р., Радом Л. и Попл Дж. А. Молекулярно-орбитальная теория электронной структуры органических соединений. V. Молекулярная теория разделения связей. Дж. Ам. хим. соц. 92 , 4796–4801 (1970).

    КАС Google ученый

  • Халгрен, Т. А. ММФФ VI. Опция MMFF94S для исследований по минимизации энергопотребления. Дж. Вычисл. хим. 20 , 720–729 (1999).

    КАС Google ученый

  • Рамакришнан Р., Драл П., Рупп М. и фон Лилиенфельд О.А. Структуры и свойства квантовой химии 134-килограммовых молекул. Науч. Данные 1 , 140022 (2014).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Руддигкейт, Л., ван Дерсен, Р., Блюм, Л. К. и Реймонд, Дж.-Л. Перечисление 166 миллиардов органических малых молекул в базе данных химической вселенной GDB-17. J. Chem. Инф. Модель. 52 , 2864–2875 (2012).

    КАС пабмед Google ученый

  • Фабер, Ф. А., Кристенсен, А. С., Хуанг, Б. и фон Лилиенфельд, О. А. Представление на основе алхимического и структурного распределения для универсального квантового машинного обучения. J. Chem. физ. 148 , 241717 (2018).

    ПабМед Google ученый

  • фон Лилиенфельд, О. А. Взгляд из первых принципов на пространство химических соединений: строгое атомистическое управление молекулярными свойствами. Междунар. J. Квантовая хим. 113 , 1676–1689 (2013).

    Google ученый

  • Bader, RF Atoms in Molecules (онлайн-библиотека Wiley, 1990).

  • фон Лилиенфельд, О. А. Квантовое машинное обучение в пространстве химических соединений. Анжю. хим. Междунар. Эд. 57 , 4164–4169 (2018).

    Google ученый

  • Кох, В.& Holthausen, M.C. A Chemist’s Guide to Density Functional Theory (Wiley-VCH, 2002).

  • Lu, S., Pan, J., Huang, A., Zhuang, L. & Lu, J. Топливные элементы с щелочным полимерным электролитом, полностью не содержащие катализаторов из благородных металлов. Проц. Натл акад. науч. США 105 , 20611–20614 (2008 г.).

    КАС Google ученый

  • Джеймс, Т., Уэльс, Д. Дж. и Эрнандес-Рохас, Дж. Глобальные минимумы для кластеров воды (H 2 O) n , n ≤ 21. Хим. физ. лат. 415 , 302–307 (2005). описывается пятиместным эмпирическим потенциалом.

    КАС Google ученый

  • Мао, К. и др. Теоретическое исследование одноатомного катализа окисления СО с использованием встроенного монослоя au 2D h -BN: активация O 2 , стимулируемая СО. Науч. 4 , 5441 (2014).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Йеоле, С.Д. и Гадре С.Р. О применимости методов фрагментации к сопряженным системам в рамках функциональной плотности. J. Chem. физ. 132 , 094102 (2010).

    ПабМед Google ученый

  • Медведев М.Г., Бушмаринов И.С., Сун Дж., Пердью Дж.П., Лысенко К.А. Теория функционала плотности сбивается с пути к точному функционалу. Наука 355 , 49–52 (2017).

    КАС пабмед Google ученый

  • Мантина М., Чемберлин А.С., Валеро Р., Крамер С.Дж. и Трухлар Д.Г. Согласованные радиусы Ван-дер-Ваальса для всей основной группы. J. Phys. хим. A 113 , 5806–5812 (2009 г.).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Инструментарий OEChem v2.1.2 (Openeye Scientific Software, 2017 г.).

  • O’Boyle, N.M. et al. Open Babel: открытый химический набор инструментов. Ж. Хеминформ. 3 , 1–14 (2011).

    Google ученый

  • Frisch, M.J. et al. Gaussian 09 Revision D.01 (Gaussian Inc., 2009)

  • Рамакришнан Р., Драл П., Рупп М. и фон Лилиенфельд О. А. Большие данные встречаются с приближениями квантовой химии: подход машинного обучения. J. Chem. Теория вычисл. 11 , 2087–2096 (2015).

    КАС пабмед Google ученый

  • Низ Ф. Программная система ORCA. ПРОВОДА Вычисл. Мол. науч. 2 , 73–78 (2012).

    КАС Google ученый

  • Вернер, Х.-Й. и другие. Молпро v. 2015.1 (2015).

  • Крессе, Г. и Фуртмюллер, Дж. Эффективность вычислений полной энергии ab-initio для металлов и полупроводников с использованием базисного набора плоских волн. Комп. Мат. науч. 6 , 15–50 (1996).

    КАС Google ученый

  • Пердью, Дж. П., Берк, К. и Эрнзерхоф, М. Упрощенное приближение обобщенного градиента. Физ. Преподобный Летт. 77 , 3865–3868 (1996).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Блохл, П. Е. Метод дополненной волны проектора. Физ. Ред. B 50 , 17953–17979 (1994).

    КАС Google ученый

  • ТУРБОМОЛЬ v.6.2 (TURBOMOLE GmbH, 2010).

  • Рупп, М., Рамакришнан, Р. и фон Лилиенфельд, О. А. Машинное обучение для квантово-механических свойств атомов в молекулах. J. Phys. хим. лат. 6 , 3309–3313 (2015).

    КАС Google ученый

  • Расмуссен, К.и Уильямс, К. Гауссовские процессы для машинного обучения . Адаптивные вычисления и машинное обучение, серия (University Press Group, 2006).

  • Барток, А. П., Пейн, М. К., Кондор, Р. и Чаньи, Г. Потенциалы приближения Гаусса: точность квантовой механики без учета электронов. Физ. Преподобный Летт. 104 , 136403 (2010).

    ПабМед Google ученый

  • фон Лилиенфельд, О.А., Рамакришнан, Р., Рупп, М. и Нолл, А. Ряды Фурье функций радиального распределения атомов: молекулярный отпечаток пальца для моделей машинного обучения квантово-химических свойств. Междунар. J. Квантовая хим. 115 , 1084–1093 (2015).

    Google ученый

  • Барток А. П., Кондор Р. и Чаньи Г. О представлении химических сред. Физ. B 87 , 184115 (2013).

    Google ученый

  • Аксилрод, Б.М. и Теллер, Э. Взаимодействие типа Ван-дер-Ваальса между тремя атомами. J. Chem. физ. 11 , 299–300 (1943).

    КАС Google ученый

  • Муто Ю. Сила между неполярными молекулами. Ж. физ.-мат. соц. Jpn 17 , 629–631 (1943).

    КАС Google ученый

  • Доран, М. и Цукер, И. Мультипольное трехчастичное ван-дер-ваальсово взаимодействие высшего порядка и стабильность твердых тел инертных газов. J. Phys. С 4 , 307 (1971).

    КАС Google ученый

  • Рамакришнан, Р. и фон Лилиенфельд, О. А. Многие молекулярные свойства из одного ядра в химическом пространстве. Chimia 69 , 182 (2015).

    КАС пабмед Google ученый

  • От атомов к устройствам - Институт Генри Ройса

    Новый Центр Брэгга, расположенный в Университете Лидса, представляет собой проект стоимостью 96 млн фунтов стерлингов, направленный на создание интегрированного кампуса инженерных и физических наук.Расположенное в северо-восточной части кампуса университета, здание площадью 15 700 м² способствует культуре междисциплинарной работы по разработке новых материалов для решения задач 21 века во многих областях, включая энергоэффективные вычисления, телекоммуникации, устойчивые магнитные материалы, датчики. для использования в биологических системах и экстремальных или удаленных условиях, фармацевтических препаратах, «умных продуктах питания» и медицинских технологиях. Объект включает в себя первоклассную лабораторию и специализированные учебные помещения, что позволяет проводить передовые исследования и выдающийся студенческий опыт, одновременно повышая исследовательскую мощь университета и укрепляя сотрудничество с промышленностью.

    Центр Максвелла Кембриджского университета является центром промышленного взаимодействия с учеными-физиками и инженерами, работающими в Западно-Кембриджском научно-техническом кампусе. Двусторонний поток идей и исследователей добавляет ценность, когда деятельность «голубого неба» соответствует исследовательским целям, имеющим отношение к экономическим возможностям для промышленности и общества в целом, при этом масштаб участия промышленности уже значителен. Исследования A2D в Кембридже сосредоточены вокруг инструмента кластера окружающей среды для роста, определения характеристик, тестирования и упаковки новых устройств, а также нашей литографии E-Beam, средств XPS, MBE и набора сопутствующего оборудования, поддерживающего разработку электроники с низкими потерями. и материалы для хранения энергии с высокой плотностью.

    В Имперском колледже Лондона университет предоставляет современное оборудование, предназначенное для инноваций новых многофункциональных устройств. Исследователи Royce Atoms to Devices имеют доступ к средствам для осаждения тонких нанопленок, создания моделей устройств и электрических характеристик, а также к инструментам, способным анализировать широкий спектр поверхностей, а также к ряду инструментов для прототипирования наноустройств.

    Хирургия Терпа, побочные эффекты простатэктомии и операционная система ATOMS

    Х.Готвальд – Австрия

    «После радикальной простатэктомии у меня было недержание мочи, и мне требовалось от 15 до 20 прокладок в день. Через 2 года я все еще использовал 5-6 прокладок в день, и дальнейшее сокращение было просто невозможно. Чуть менее 4 лет назад мне имплантировали ATOMS, и после операции я был совершенно сухим. Этот день изменил мою жизнь. Я бы больше не хотел быть без ATOMS.

    Й. Коструух – Австрия

    « Ровно год назад я получил ATOMS, и он до сих пор работает, как и в первый день.Я могу снова заниматься спортом и ходить в походы, и мне очень комфортно.

    Питер Джон

    “ В январе 2009 года мне сделали операцию по тотальному удалению предстательной железы. Результатом этого стало тяжелое недержание мочи с полной потерей качества жизни: заниматься спортом, культурой и многими другими повседневными делами можно было только с крайними ограничениями.

    Оставить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.