Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Алтайский государственный университет»

УТВЕРЖДАЮ

декан_химического_факультета

_Базарнова Н.Г._

"_" _ 2007_г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

по дисциплине_МНОГОУРОВНЕВОЕ СТРОЕНИЕ, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И

ИНФОРМАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

для направления_ХИМИЯ, физическая химия, магистратура 020100.68.04_ факультет ХИМИЧЕСКИЙ _ кафедра ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ _ курс 6-ый _ семестр 11-й лекции 58 _ (час.) Экзамен в _семестре Практические (семинарские) занятия 40 _ (час.) Зачет в _11-мсеместре Лабораторные Занятия (час.) Всего часов 98 Самостоятельная работа 76_(час.) Итого часов трудозатрат на дисциплину (для магистранта) по ГОС174_(час.) 2007 г.

Рабочая программа составлена профессором, доктором физико-математических наук Безносюком С.А.

Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры физической и коллоидной химии № 6 от 28. 12._2007 г.

Заведующий кафедрой Безносюк С.А.

Одобрено советом (методической комиссией) химического факультета 28. 12. 2007 г.

Председатель комиссии_Богданкова Л.А. (ф.и.о., подпись) Введение В курсе используются две формы работы магистрантов: лекционные, семинарские занятия, а также выполнение домашних заданий и все виды контроля: текущий, промежуточный, рубежный, итоговый.

Методика формирования результирующей оценки базируется на учте результатов одной рубежной контрольной. Результирующая средняя оценка корректируется результатами текущего контроля на семинарских занятиях и промежуточного контроля на контрольной точке в середине семестра. С этой оценкой магистрант выходит на итоговый контроль в форме семестрового экзамена по всему курсу. На экзамене даются два теоретических вопроса: один по теории, другой по эксперименту в области многоуровневого строения наноматериалов. Зачт проводится в комбинированной форме: магистранты письменно отвечают на вопросы билета в течение одного астрономического часа, находясь в одной аудитории. После сдачи письменных работ магистранты защищают в индивидуальном порядке свои работы устно. Экзаменатор, по мере необходимости, задат дополнительные вопросы и задачи. Результирующая оценка ответа: зачт – незачт выставляется на основе приоритетности оценки полученной на зачте.

1. Цели и задачи дисциплины, ее место в учебном процессе.

1.1. Цель преподавания дисциплины. В курсе излагается квантовая теория многоуровнего строения наноматериалов. На основе методов компьютерного моделирования рассматриваются компьютерные нанотехнологии управления процессами самоорганизации различных наноматериалов. Курс имеет ключевую роль в подготовке физико-химиков – нанотехнологов – специалистов в области компьютерного нанодизайна, наносинтеза и управления нанотехнологическими процессами создания адаптивных наноматериалов, использующихся в областях электроники, энергетики, вооружения, медицины.

1.2. Задачи изучения дисциплины:

Основная задача курса – усвоение теоретических положений современной концепции многоуровнего строения вещества и вычислительного комплекса «Компьютерные нанотехнологии», позволяющего проводить дизайн наносистем материалов произвольной фрактальной размерности и формы на основе компьютерной имитации процессов контролируемой самосборки агрегатов квантово-размерных мультичастиц. Курс включает в себя три основные креативные задачи. Они заключаются в освоении на практике методологии и методов компьютерной нанотехнологии в ходе решения конкретных заданий из трх актуальных областей исследований. Первая креативная задача – это применение комплекса «Компьютерная нанотехнология» для дизайна и имитации управления процессами самоорганизации адаптивных наноматериалов и покрытий на основе графена, нанотубулярного углерода, фрактальных кластеров переходных металлов, водорода. Вторая креативная задача – это применение комплекса «Компьютерная нанотехнология» для дизайна и имитации управления процессами самоорганизации нанослоевых гетероструктур выпрямляющих контактов на основе интерфейса между переходными металлами и полупроводниками типа AIII-BV, AIII-BVI. Третья креативная задача – это применение комплекса «Компьютерная нанотехнология» для дизайна и имитации управления процессами наноструктурных фазовых переходов аморфного и клатратного льда. Прикладные креативные задачи в курсе представляют два современных диаметрально противоположных подхода к наноструктурированию вещества: с микроуровня («снизу-вверх», I) и с макроуровня («сверху-вниз», II) 1.3. Перечень дисциплин, разделов усвоение которых необходимо для изучения данной дисциплины.

1. Разделы физики 2. Разделы математики 3. Разделы химии NN 1.1 Механика 2.1 Математический анализ 3.1 Квантовая механика и 1.3 Электричество и 2.3 Интегральное и диф- 3.3 Физико-химические методы Наименование тем лекционных, практических и семинарских, лабораторных занятий, 2.1.

строении вещества Функциональная самоорганизация мультиструктур наноматериалов… Моделирование задач для графена, нанотубулярного углерода, фрактальных кластеров переходных металлов, водорода.

Моделирование задач для нанослоевых гетероструктур выпрямляющих контактов на основе интерфейса между переходными металлами и полупроводниками типа AIIIBV, AIII-BVI.

Моделирование задач для наноструктурных фазовых переходов аморфного и клатратного льда.

Занятия (ч.) Лабораторные работы (ч.) Раздел 3. Учебно-методические материалы по дисциплине.

3.1. Основная и дополнительная литература, другие информационные источники.

1. С.А. Безносюк, А.И. Потекаев, М.С. Жуковский, Т.М. Жуковская, Л.В. Фомина Многоуровневое строение, физико-химические и информационные свойства вещества.

Томск: Изд-во Научно-технической литературы, 2005. 264 с.

2. С.А. Безносюк, А.И. Потекаев, М.С. Жуковский, Т.М. Жуковская, Л.В. Фомина Многоуровневое строение, физико-химические и информационные свойства вещества.

Томск: 2-е Изд., перераб., испр. Томск: Изд-во Научно-технической литературы, 2006, 248 с.

3. Б. Лавенда Статистическая физика /М.:Мир.-1999.- 432 с.

4. Х. Умэдзава, Х. Мацумото, М. Татики Термополевая динамика и конденсированные состояния. / Пер. с англ. — М.: Мир, 1985. — 504с.

5. М.Мулдахметов, Б.Ф.Минаев, С.А.Безносюк.Теория электронного строения молекул (Новые аспекты). / Алма-Ата: Наука., 1988. — 216 с.

1. Лен Ж.-М. Супрамолекулярная химия: Концепции и перспективы/ Новосибирск: Наука.

Сиб. Предприятие РАН, 1998. — 334 с.

2. Гусев А.И. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства /Екатеринбур:

УрО РАН, 1998. — 199 с.

3. Теория неоднородного электронного газа 4. Бейдер 3.2.Перечень наглядных и других пособий, методических указаний по проведению конкретных видов учебных занятий, а также методических материалов к используемым в учебном процессе техническим и компьютерным средствам.

1. С.А. Безносюк, М.С. Жуковский Физико-математические методы исследования в наноструктурной химии. Методическое указание – Барнаул: Изд-во Алт. Ун-та, 2005, c. 2. С.А. Безносюк, М.С. Жуковский Компьютерная нанотехнология. Учебный мультимедиа комплекс – Барнаул: ЦДО Алт. Ун-та, 1999.

Номер Номер Наименование вопросов, изучаемых на вещества.Коннцепция строения вещества Электронное строение мультиструктур Квантовая топология газовой компоненты электронной плазмы.

Квантовая топология роевой компоненты диссипативные рои электронов. Роевая мультиструктура электронной плазмы Физико-химические мультиструктуры топологии мультиструктур вещества.

Строение финитного мультиатома Строение электронной среды в мультиструктур вещества.

Силы связи в мультиструктурах мультиструктурах вещества.

Расчт сил связи методом нелокального Функциональная самоорганизация макросистем наночастиц.

Квантовая модель термостатистических самоорганизации наночастиц.

Компьютерное моделирование фемтосекундной кинетики трансформаций графена.

Компьютернеое моделирование нанотубулярным углеродом 1.

Компьютернеое моделирование нанотубулярным углеродом 2.

Компьютерное моделирование наносистем графена и фрактальных кластеров переходных металлов Моделирование задач для нанослоевых гетероструктур выпрямляющих полупроводниками типа AIII-BV, AIIIBVI.

Компьютерное моделирование нанослоевых гетероструктур металлами и полупроводниками типа Компьютерное моделирование нанослоевых гетероструктур металлами и полупроводниками типа Компьютерное моделирование нанослоевых гетероструктур металлами и полупроводниками типа Компьютерное моделирование наноструктурных фазовых переходов аморфного и клатратного льда.

Компьютерное моделирование захвата Тенденции и проблемы развития концепции многоуровнего строения Протокол согласования рабочей программы с другими дисциплинами специальности Дополнения и изменения в рабочей программе на 200/_учебный год В рабочую программу вносятся следующие изменения: Рабочая программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры "_" 200г.

Внесенные изменения утверждаю "_"_ Особенность макроуровня – классическое описание объектов и процессов.

Особенность микроуровня – квантовое описание объектов и процессов.

Особенность мезоуровня – интегральное описание объектов и процессов.

Плазма в классической физике – система, которую образуют два заряженных компонента вещества, обладающие относительной подвижностью в физическом пространстве.

Твердое тело – тело с упорядоченной решеткой положения ядер, электронная компонента плазмы в котором находится в вырожденном состоянии, близком к основному квантовому.

Жидкость – вещество без решеточной структуры ядерной компоненты плазмы, электроны которой находятся в вырожденном состоянии.

Газ – вещество без электронов вырожденном состоянии и без фиксированного объема.

Чистое квантовое состояние плазмы – состояние, в котором точно определена волновая Смешанное квантовое состояние – состояние, характеризующееся не волновой функцией, а матрицей плотности.

Конфигурационная точка – точка, которая движется без траектории, стахостически.

10.

Конфигурационное пространство – область распределения движения конфигурационной 11.

Фрактальность – размерность конфигурационного пространства.

12.

Унитарно-эквивалентное движение – движение, при котором гильбертово пространство 13.

момента времени 0 переходит в гильбертово пространство момента времени t.

Эквивалентное гильбертово пространство – гильбертово пространство, которое переходит 14.

Унитарное гильбертово пространство – пространство, в котором при переходе 15.

сохраняются длины векторов.

Фазовое пространство – пространство, которое получается из конфигурационного 16.

добавлением импульсных векторов материальных точек.

Физическое пространство – пространство, в котором разрешено двигаться материальной 17.

точке в отсутствие кинетических связей.

Спутанная волновая функция – волновая функция, для которой выполняется неравенство 18.

Кинематические связи макроуровня – одночастичные ограничения в физическом 19.

пространстве.

Рой – пара частиц, для которых точка их конфигурационного пространства подчиняется 20.

общей системе уравнений.

Квантово-размерный механизм – механизм спутывания.

21.

Бозон – роевая пара.

22.

Фонон – квант звукового колебания ядерной подсистемы материала в адиабатическом 23.

приближении.

Фермион – частица, подчиняющаяся статистике Ферми-Дирака.

24.

Магнон – волна спинового магнитного момента, расположенная на в или f оболочках 25.

Полярон – квант колебания электрического дипольного момента элементарной ячейки 26.

кристалла.

Концентрон – концентрационная волна вещества.

27.

Электрожесткий материал – материал, который при деформации скачком меняет 28.

электрический дипольный момент, что вызывает искрение.

Конфайнмент – состояние, при которм две частицы не могут быть отличены друг от друга.

29.

Топологический атом Бейдера – квантово-механическая частица, у которой нет своего 30.

гильбертова пространства, которое есть у всей системы.

по дисциплине Многоуровневое строение, физико-химические и информационные Что является особенностями макроуровня?

Что является особенностями мезоуровня?

Что является особенностями микроуровня?

Чем классическое описание объектов отличается от квантового?

В чем заключается смысл теоремы Эренфеста?

Что является элементарными частицами в традиционной концепции строения вещества?

7. Что в классической физике называется плазмой?

Какой смысл имеет волновая функция?

Запишите условие электронейтральности плазмы вещества.

Запишите временное уравнение Шредингера.

Что означает выражение «операторы кинетической энергии одночастичны»?

Почему в природе вещества не существует 3-х, 4-х и выше частичных взаимодействий?

6. Сколько электронных координат имеет в конфигурационном пространстве волновая функция плазмы вещества?

7. Сколько ядерных координат имеет в конфигурационном пространстве волновая функция плазмы вещества?

Перечислите 4 агрегатных состояния плазмы и охарактеризуйте их свойства.

Чем характеризуются смешанные квантовые состояния плазмы?

При каком условии смешанное состояние переходит в чистое?

Запишите квантово-механическое усреднение физической величины в чистом i-том состоянии.

5. Запишите квантово-механическое усреднение физической величины при переходе в смешанное состояние.

6. Какие частицы, согласно квантовой теории строения вещества, образуют фундаментальный уровень?

7. Каким законам подчиняются массивные макрочастицы вещества?

В чем заключается модель системы материальных точек?

Каким пространством описывается каждая материальная точка?

Что называют конфигурационной точкой?

Какие ограничения накладываются на взаимно-согласованное движение материальных точек внутри системы?

5. Что означает выражение «в системе отсутствуют кинематические связи»?

6. Чем отличается описание движения конфигурационной точки в классической и в квантовой механике?

7. Зависит ли вероятность распределения от траектории движения точки по Р.Фейнману?

1. Каким уравнением, согласно теореме Эренфеста, описывается траекторное движение?

2. Имеет ли траектория конфигурационной точки преферанс система разноименно заряженных материальных точек для кулоновских сил?

3. Каким образом в квантовой механике была достигнута устойчивость формы распределения плотности вероятности по траекториям движения системы?

4. Сколько конфигурационных точек отвечает строению атома водорода в классической механике?

5. Сколько конфигурационных точек отвечает строению атома водорода в квантовой механике?

6. Что принимается за структуру атома водорода в квантовой механике?

7. Что вынуждает каждую заряженную точку плазмы не выходить за определенную область в физическом пространстве?

1. Как ограничивается движение частиц плазмы с точки зрения математической модели?

2. Что называется фрактальной размерностью конфигурационного пространства?

3. Чем определяется размерность Гильбертова пространства?

4. Как меняется число базисных векторов при переходе от бесконечного конфигурационного пространства к финитному?

5. Как объяснить изменение строения квантовой частицы в условиях конфайнмента?

6. При каком условии строение системы материальных точек может кардинально измениться без изменения числа и сортности частиц?

7. В каком случае говорят, что гильбертово пространство инвариантно?

1. Какое движение гильбертова пространства называется унитарно-эквивалентным?

2. Каким состоянием описывается состояние макросистемы на макроскопическом уровне?

3. Что называется неунитарным преобразованием?

4. Что называется мезоуровнем?

5. За счет чего происходит изменение фрактальной размерности для мезочастиц?

6. Приведите пример трехуровневого построения вещества.

7. Как в классической механике из конфигурационного пространства получается фазовое?

1. Чем описывается движение системы в классической механике?

2. Что является признаком мультичастицы, находящейся на мезоуровне?

3. Чем финитное движение частицы отличается от инфинитного?

4. Каким образом можно получить дендритные множества склеенных математических точек?

5. Что является кинематическим условием связи в квантовой механике?

6. Почему для спутанной функции нельзя по отдельности определить волновые функции отдельных частиц?

7. Что называется спутанным состоянием?

В чем состоит объяснение мгновенного дальнодействия?

Как понимается неразличимость квантовых частиц?

Что называют кинематическими связями макроуровня?

Что называют «роением»?

Какая пара частиц называется роем?

Какие аналогии с кинематической связью имеет роевая связь?

Почему нельзя корректно ввести понятие силы в условии отсутствия точного положения и скорости?

В области каких энергий встречаются макро- и микроуровни?

Что вводится дополнительно к силам, чтобы обеспечить устойчивость ядер?

Какими зарядами обладают кварки, входящие в ядро?

За счет чего кварки ядра удерживаются вместе вопреки силам Кулона?

К чему приводит спутывание двух фермионов?

Как выглядит волновая функция при спутывании фермионов?

Что является носителем тока в сверхпроводящем материале?

Что называют фермигазом?

За счет чего фермигаз испытывает омическое сопротивление?

Что обеспечивает чистую сверхпроводимость при низких температурах?

Чем обусловлена устойчивость электронной пары?

В результате чего электронная пара может перейти в фермигаз?

Что создает обменное взаимодействие в электронной паре?

Что называют фононом?

1. Чем характеризуется фонон?

2. Чему равна протяженность корпускулы, как материальной точки?

3. Как возникает макроуровень и его классические объекты из движения квантов микроуровня?

4. Чем определяются статистические веса состояний?

5. Какой статистикой описывается движение фермионов?

6. Что называют бозоконденсатом?

7. Какие частицы являются родоначальниками всех дефектов в кристаллических материалах?

1. Какие частицы нейтрализуют отталкивание между ядрами?

2. Чему должна быть равна циклическая частота колебаний, чтобы мог образоваться конденсат фононов?

3. Какой вид имеет зависимость закона дисперсий при возникновении конденсатов с мягкой модой?

4. Что называют магнонами?

5. Что называют магнитожесткими материалами и где они используются?

6. Что называют мягкомагнитными материалами и где они используются?

7. Что называют поляронами?

Какие домены возникают при конденсации поляронов?

Какие материалы называют электрожесткими?

Какие типы фононов выделяют в твердом кристаллическом теле?

Какие типы фононов выделяют в газе?

Можно ли непосредственно, изменяя температуру термостата, изменить равновесную форму макротела?

6. Как меняются моды фононов при переходе из конденсированного в газовое состояние?

7. Что называют интерметаллидом?

В чем механизм ромбоэдрического искажения кубической ячейки?

В чем суть зонной теории?

Чему равно число разрешенных состояний внутри энергетической зоны?

В чем суть закона дисперсии квантов в зоне Бриллюена?

Объяснить ромбоэдрический переход в TiNi.

Какую периодичность имеет сверхструктура?

Какой механизм является механизмом упорядочения в случае сверхструктуры с двойной периодичностью?

Почему упорядоченный сплав тверже неупорядоченного?

Что называют концентрационными волнами?

Какой уровень является базовым в трехуровневом строении вещества?

Почему в конфигурационном пространстве при появлении роя происходит его перестроение?

5. Сколько различных спаренных частиц существует в системе с N тождественными частицами?

6. В каком случае конфайнмент не возможен?

7. Когда говорят, что наноматериал имеет наноструктуру мезоуровня?

по дисциплине Многоуровневое строение, физико-химические и информационные 1. Показать, что при температуре, стремящейся к бесконечности, квантовая статистика переходит в классическую (Больцмановскую).

2. Найти обстоятельства, при которых возникает больцмановское распределение, 3. Когда происходит переход в больцмановское распределение при всех ?

1. Доказать, что множество целых чисел не образует группу по умножению.

2. Образует ли множество рациональных чисел группу по сложению? Доказать.

3. Для графа с b=4 найти mmax, все возможные w(b,m) и нарисовать график мультиплетности.

4. Определить точечную группу и построить таблицу умножений для молекулы бензола. Найти генераторы группы.

5. Построить двумерные матричные представления для следующих элементов симметрии точечных групп: С 2, C 32, v, h, d, S 2, i.

Что такое информация? Способы ее выражения.

Посчитать информацию Хартли для графа, мультиплетностью 32.

Посчитать информацию Шеннона, содержащуюся во фразе «теория информации».

Нарисовать график распределения информации Фишера в непрерывном множестве.

5. В трехмерной системе координат S-I-E указать местоположения следующих систем: плазма, идеальный газ, идеальный кристалл, дефектный кристалл.

6. Что называется эволюционным процессом? Перечислите и опишите типы эволюций.

по дисциплине Многоуровневое строение, физико-химические и информационные 1. Физико-химические основы создания наноматериалов.

2. Межатомные связи внутри наночастиц, на границе контакта наночастиц и между наночастицами в вакууме.

3. Принципы действия туннельного микроскопа.

4. Запишите временное уравнение Шредингера.

5. Сколько электронных координат имеет в конфигурационном пространстве волновая функция плазмы вещества?

6. Физико-химические механизмы эффекта памяти формы в нитиноле.

7. Физико-химическая классификация наноструктур вещества 8. Запишите квантово-механическое усреднение физической величины в чистом i-том состоянии.

9. Каким законам подчиняются массивные макрочастицы вещества?

10. Строение и физико-химические свойства фуллеренов.

11. В чем заключается модель системы материальных точек?

12. Чем отличается описание движения конфигурационной точки в классической и в квантовой механике?

13. Зависит ли вероятность распределения от траектории движения точки по Р.Фейнману?

14. Кинематические связи спутанности квантовых частиц.

15. Строение и физико-химические свойства нанотубулярного углерода.

16. Каким уравнением, согласно теореме Эренфеста, описывается траекторное движение?

17. Сколько конфигурационных точек отвечает строению атома водорода в классической 18. Как ограничивается движение частиц плазмы с точки зрения математической модели?

19. В каком случае говорят, что гильбертово пространство инвариантно?

20. Как в классической механике из конфигурационного пространства получается При изучении спецкурса «МНОГОУРОВНЕВОЕ СТРОЕНИЕ, ФИЗИКОХИМИЧЕСКИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА»

студент должен повторить:

1. математический анализ;

2. линейную алгебру;

3. интегральное и дифференциальное исчисление;

4. теорию дифференциальных уравнений;

5. информатику и программирование.

Студент обязан знать:

1. квантовую механику и квантовую химию;

2. строение вещества;

3. физико-химические методы исследования;

4. физическую химию;

5. математическую химию;

6. физическую химию наноструктурированного вещества.

Основная задача курса – усвоение теоретических положений современной концепции многоуровнего строения вещества и вычислительного комплекса «Компьютерные нанотехнологии», позволяющего проводить дизайн наносистем материалов произвольной фрактальной размерности и формы на основе компьютерной имитации процессов контролируемой самосборки агрегатов квантово-размерных мультичастиц. Курс включает в себя три основные креативные задачи. Они заключаются в освоении на практике методологии и методов компьютерной нанотехнологии в ходе решения конкретных заданий из трх актуальных областей исследований.

В курсе используются три формы работы студентов: лекционные, семинарские занятия, выполнение домашних заданий и все виды контроля:

текущий, промежуточный, рубежный, итоговый. Методика формирования результирующей оценки базируется на учте результатов одной рубежной контрольной. Результирующая средняя оценка корректируется результатами текущего контроля на семинарских занятиях и промежуточного контроля на контрольной точке в середине семестра. С этой оценкой студент выходит на итоговый контроль в форме семестрового экзамена по всему курсу. На экзамене даются два теоретических вопроса: один по теории, другой по эксперименту в области многоуровнего строения наноматериалов. Зачт проводится в комбинированной форме: студенты письменно отвечают на вопросы билета в течение одного астрономического часа, находясь в одной аудитории. После сдачи письменных работ студенты защищают в индивидуальном порядке свои работы устно. Экзаменатор, по мере необходимости, задат дополнительные вопросы и задачи. Результирующая оценка ответа: зачт – незачт выставляется на основе приоритетности оценки полученной на зачте.