Наноолимпиада физика

ФИЗИКА (школьники)

Cянваря102013годаначинаетсяОТБОРОЧНыйтурдл

школьников7

-11классоврамкахVIIИнтернет

- олимпиадыпо

нанотехн,проводимойлогиям

МГУим. .В.Ломоносова

и

Фоинфраструктуобразовательныхдомпрог амм

РОСНАНО.РешениезадачотборочноготураОБЯЗАТЕЛЬНО

дляпрохождениянаочныйтуролимпиады,завершениетура

- 30

январягода2013января( вес1

ьденьбудутприниматься

оставшиесязаданияопозда, февутромляc 1шихначнется

проверкаизаданиябольшезагружатьбудетнельзя).

Интернет - олимпиадапонанотехнологиямтр диционновошла

перечнеолимпиадна

приказминистерстваобразнаукиования

2012учебныйгод/ 2013

(номв3пер)покомплексуечнепредметов

"химия,физика,математика,биология"будетдаватьсущественные

льготыприпоступленабитурвВУЗы.Приентовизеры

и

победителибудутнаграмятнждеприза.Срокыми

провеОлимпиадышкольниковенияля,участвующихиспытаниях

покомплексупредметов"

химия,физика,математика,биология

":

• Регистрацияперерегистрацияучастников

:поянваря25 2013

года( ИДЕТ)

Призерыпобедителиотбортурабудутчногобъявленына

всехч

етырех предметов.

основбаллов, ниипранныхешении

Физика7

-11классы

Максимальноеколичествобаллов

– 65

Фотоэлектроннаяспектроскопия

(6 баллов)

Приисследованиисоставананоматеиспользуетсяметодрентгеновскойиалов

фотоэлектроннойспектроскопииРФЭС()Приисследовании. наобрпадаетпучокзец

рентгеновскихлучей,аповерхносвыбитобразцавылетаютэлектроны, свнутренних

орбитал.Определяяэнергиюэлектроновй,можнополучитьинфорхимическомацию

составеобразца.

Приоблученииобразцапучкомрентгеноизлучесдливолныскогоойия

λ1 = 0.95 нмвспектреРФЭСнаблютолькодп,исоотваетсян нетствующийкоторой

p = 1·10.5

–23

энергиисвязиэлектронов,приэтоммпувылетевшихэлектроновьсравен

кг·м/с.Априоблучениипучкомсдлинойволныλ

1 = 0.80 нмвспектренаблюдаетсятотже

самый пик.

p вовторомслучае.

(3 балла)

1. Найтиимпувылетевшихэлектроновьс

(2

2. Найтиотношениеимпульсафотонкимпульсуэлектрона

pф/p вобоихслучаях.

балла)

(1

3. Объяснитьполученныйрезультат,используяфундаментальныефизическиеаконы.

балл)

та c = 3·10.

8 м/с,массаэлектрона

me = 9·10.

–31 кг,постояПланнкая

Скоростьсве

h = 6,63·10

-34 Дж·с.

Дифракцияэлектронов

(4балла)

Методдифраэлеиспктрциидолновсследованияьзуструктурытвердыхсятел.

Вопоопределениюытепостояннойкристалличе

скойрешэлектрразгткивпонлеыяют

сразностьюпотенциа100В.Далеепучокэ еовпадаеттроннормальнонаоверхность

образца,предсобойтонкуюавляющегофольгуизмонокристаллическоговещества.При

этомнаэк,расположеннне

омзаобр,назцомбл

юдифраетсяк ,ртвкотцинаоройнная

второйдифракцмакснахиподмумугломнныйαится=Найти30°постоянную.решетки

исслведуемогощества.

Оптичесволокноое

(5баллов)

Диамсечволокнаетрния

d

= 1 см.В естепаденияпоказательпреломленияравен

n0 = 1.3.

Эффепоказательпреломтивныйстекволоксеянияногоедренныминаночаст

цами

k = 0.5 см–1.

линейнорастетвдлиныоль,начинаяотточкипадения

: n(l) = n0 + kl, l – длина,

ЗадачаоЦП

(6баллов)

СогласноизвестномузакГ Мурардонуод( изоснаогокомпаниивателейIntel)

количество транзисторов,размещаемыхнакристаллентегральнойсхемы,удваивается

каждыемесяца24.Приэтомпроизводителпроцесскомпоьровлжнаютерахность

удваиватьсякаждыемесяцев18из

-засочетанростаколтранзисторовчествая

быстродействиякаждого

зних.

Кувеличениюколичестваразмещнакристаллеемых

транзисведеих торов

миниатюр:внастоящеевремяприизготовленииацияпроцессоровиспользуется

технолпронм«22цессгический»,а 2018.планиразработатьивнедритьуется

технологиюслинейны

разрешениемв10нм.

Вопрос 1. Какиефундамеогразатрудниченияпроцессальминиатюризациияютые

(3 балла)

припереходекстольмалымразэлеинтегральныхментоврамсхем?

Втожевремя,рост

произвопроцессоровдпоситевремениледнегоьности

определялсяувеличениемихтактовчаст.Однако,послейтыдостиженияпределенного

значениятактовчастоколо( ГГц4йты)дальнейшувеличпроизводительностиние

пошлоутивелчисланияяд,размещаемыхнаодномпроцескри,асорномталле

такжеприме

нениясхемпараллельныхвычислений.

Вопрос2

. Чем,сфизитозренияч,ескойкиопределяетсяналичиеверхнегопредела

. (3

тактовчаст?Оценитьоверхнийтыпределтактчастовдноядерногойтыпроцессора

балла)

Эффект просветленияоптики

(6 баллов)

ЮныйфизикИвановрешилпронаблюдатьвэкспериментеэффектпросветления

оптики,состоящийвнанесениитончайшихтолщин( около100нм)п крытийнавнешнюю

поверхностьобъекфо оаппардляивовуменьшенияпотеатровсажениеета

связанныхнимнежелат

ельныхбликов,повышесветорассеянияизкогоногоконтраста

получаемыхфотографий.Отс аршихколонсл,чтоегышалпросветления(

увеличения

светопропускания)обычнодобиваютзеленойобласпектранадлинеятиволныоколо540

нм – облнаибольшейстичу

вствительностичеловеческогоглаза

– длячегонеобходимо

нанобъекаестислойчетиввертьвтолщиныизфтмагниялновойфторидаилибария

nф = 1.38)Од. ,занеимениемакоподрукой

(показательпреломлобоихвеществния

подобныхматеИвановриаловешил

использглицерин,адлясозданияваизнеготьонкой

пленки – достаточнопросме‘ й

spin-coating’,опробованныйимприполучениипленокс

наночастселенидакадмия.Выборглицеринамивкачестпросветляющегоществаон

объяснилтем,чтоданнаяжид

костьявляетсяпроз, ранектическичнойиспаряетсяпри

комнатнойтемпераиимеет,каквслсуфторречаемагниябариядами,показатель

преломления nг = 1близкий.44показателюпреломленияматериалаобъектива,ра ному

данномслучае

nо = 1.Исп41.

ользованиежидкостидляпросветляющслоясущественного

ограничивалопракт даннческениемемет,поойдикисколькуобъективприходилось

располагатьвсевремястрогогоризо, ддлянакоабтальноюдения

эффектапросветления

этогобылод статочно.После

серииэкспериментовиспользованиемпрофилометра

(приборадляизмеретолщинпленокких)Ивановясм добратьгнужноеколичество

глицерина,принанесениикоторогоповевращающегосяхностьобъективаполучался

равномерныйслт лщиной540/4

= 135 нм.Однако,большомуудивленюногофизикаю

просветзеленойияобластиспектранаступило,чтобылочевиднодажебез

эксппеоропусканиюимсветачерезобъективнта.

Вопросы.

1)

К,неанализик прошедшийчеобъекуяезсве,Ивановтпонялив,ч

тодопустил

ошибку?

(2балла)

(2балла)

2) Вчеми состенноошибкаИвановаяла?

3)

Какойтолщиныдолжнабытьглицериноваяпленкадлядостижэффектания

(2балла)

просветнадлинво540нм?еныния

Цветныерасертворыбра

(8 баллов)

МаксимумыспектпоглраствоАщенияОоответствуютровдлинамволн400±10

I = I0e−b(λ−λmax )2

620±10нм

, аи нтенсивностимаксимумовпоглощения

– 0и.350

.20усл.ед.соответственно, .

,нм

360

400

450

496

534

620

750

8

I(A) / I(О)

260 / 1

150 / 2

45 / 4

4.34 / 3

10 / 2.1

1 / 813

1 / 6.8 10

1.

КаокраскууюимеютколлорастворыАиО?дныеРасскажитеАполлинарию

Онуфркаквзаицветмосвязанихюколлои

дныхрасполучтворовспектранными

поглощения.

(1балл)

(1балл)

2.

Чейколлоидныйраствлучшеп ?чемур

3.

Изо,какбразитеудетвыглядетьспколлоидногоктрраствора,полученного

(2балла)

смешениемдвухраств,равныхобъемахров?

4.

ЧтонужносделарасА,чтьвприодлинебыволныомвозбуждающего

излучения534нминтенсипоглощендвколлоухностьрасталаияодинаковойдныхворов?

(2балла)

(1балл )

5.

Какрегистриспектпоглколлоидныхруютщениярастворов?

6.

Каксоотносятся

разменаночастицврастворахыАО?

(1балл )

Клатраты – застывшаянанопена

(10 баллов)

В1887годуУильямТомсонлорд(Кельвин)задалсявоп:какразбитьосомтрехмерное

пространаодипонобъемуаковыествомн такгогранники,чтобыплощадьихстенокбы

ла

минимзад(одинаковыхчальнапузырьковпене)С.техпорданнаяпроблеманосит

назадачиваниеКельвина.

В1993годувкачрествешениязадачиК былальвинапредложенаструктураУэйра

-

Фела.Вееосновеа

– заполнениепространства12

-ти14 -тигранникамирис(.

1)Вэтой.

структуре14

-тигранникисвязаныдругдругомчершестиугольныезгранивцепочки,

которые,всвоюочередь,выстраиваютсятрехвзаимноперпендикунаправленияхярных

,

образуятрехмерныйкаркас

с12 -тигранныпустотамимеждуними.

Рис. а)СтруктураУэйра1.

-Феланаисоставляющиееемногогранники.б)Пекинскийнациональный

плавательныйкомплекс,построенныйОлимпиаде2008годавПекинаосэтойнструктурыеве.Такой

покдизайнуходпозволилполучболеелегкуюпрочнують

конструкцию.

ПохожеенаструктуруУэйра

-Феланарешениеиспользуеприр дойтсяроении

простейшихгазовыхгидратов

– соединенийвключения,котмолекулырыхгостя

находятсявклетках

-«нанопузырьках»,образомолекуламиводыанных(

рис. 2.).

Рис. Структура2. простейшегоклатрата

- газ,огидртвечструктуреУэйрающаята

-Фелана.Построенаиздвух

правильныхмногогранников:додек(12,веэдней20)тетрадекаэдрашин(14граней, вершины24).

Молекулыгостязанимаютцентрывсехячеек.

1. Какиеещематериалыможноназватьнанопеной? (

1балл )

2. Струкананкоготураявляматрешенидвумтсяриалзеучарногомдачия

1балл )

Кельвинаразбиение( плоскоравныеячейкисмтинимальнымпериметром)? (

3. Соответствструктурали простклейшего

2.5балл а)

атратногокаркасаусловиямзадачи

Кельвина?Ответпоясните. (

4. Какиесвязисвязываютструктурнпростейшегоединицклатратаывкаркас?

1балл )

Каковаприэтомвалентносигибридизацияузловогот?ьома(

5. Атомыисоединенияатомовкакойгрупп

ыПериотаблицыдолжныическойбыть

склонныобразованиютакоготипакл,почемутратов?Принесколькоедпри. темеров(

2

балла)

6. Гдемогутнайтиприменениеклатратыстакойструктурой?Приведите

три примера.

(2.5балла )

Впослврфулледнеемявсчащеичащеренынахвко.дятсмосе

1. Какимобразомудаетсяразгля« »фуллеренывдалекойеть

-предалекойгалактике?

Почемудляэтогоиспотелеск,находящийсяьзуютрбитепЗемли? (

2 балла)

Оказывается,космическиефулле

реныможнонетолькорассмотр« »издал,но екать

дажепот.Их,рогатьавкакинаноалмазы,регулярнонаходятвупавшихизк насмоса

Земетеоритахлю.

2. Какуюинформациюмогутнеспопавшиеукиченыхкосмическиефуллерены

наноалмазы? (

1балл )

Ударбольшогоболидаастероида( иликометы) 1

.8млназадетрдсоздалвторойпо

величиатерударк ный

-астробл,диампочтие250кммунатерриторииромсовременной

КанС(ад,Онтариоыбери)В.измельчевзрывомгорпороденбылонойобнаружено

значительное содержаниефуллеренобразова.Возниквопр: олисэтифулволисьерены

времявзры,илижеяврассляютсявеществяннымболида,котпевзрывмежилоое?

Выделенныевчистомвидефуллсчи( , реныонитпредставляютайтесобойтолько

C60,небольшимколичес

твом C70 пренебрегаем)принагреввакуумеыдеаниигелий, яют

которыйбылзаключенвовнутреннейполости,предположительно,моментобразования.

3. Объемгазаприн(.у.в,пересчетенаодинграммфуллеренов)составляет

2.09 10–4 см3.Рассреднючитайте

юконцгемольлия(нтрацию/

3)вовнутреннихполостях

фуллеренов.

(2балла )Диаметрфуллерепринятьрав0ыма

.7нм,размерамиатомов

пренебречь.

−4

Считгелия,чтоватмосфереЗемлисодержится5

.27·10

%пообъему,иего

концентрациязапрошедшеесмомент

авзрывавреизмениласьнезначительноя,дайтеответ

навопрос:

4. МоглиэтифуллереныобразоватьсяЗемнойатмосфере?

(1балл )

Ввыделившемсяизфуллереновгелии

* содержитсямаленькаяпр зотопамесь

3He

(1.15 10–7 см3).

5. Подтвеилиопровергждает

аетэфактотпредвы?воддущий(

0.5балла )

Считаятемпеобразованфуллереновтуруравной1000°Сипредпя,чтгелийоложив

попалвфувмомлерихобразованияен:ыт

Графеновыйп

узырькраткпоместиливатмосферуременноозонапроблучении

ультрафиолетом.

Доип

осле такой обработки его заполняли различными газами

измеряли

зависимостьвыспузыряотвремени

(рис. 2) .

4. Чтопроизошлосграфенпузыремпослевым

такой обработки?

Объясните

наблюдаемые для обработанного пузыря зависимости вслучае H2 и CO2 (рис.а)2

. Оцените

размер характеособеграфеновогопузыряыхностейслебработки.

(3 балла)

5. Какое применение могутнайти

упомянутыевзадаче

графеновыепузыри

? (1.5 балла)

Рис. 2. а)

Зависимвысотызап газомлненногостьграфеновпузыряотвременинавоздухе.го

б) Зависимость

средней скорости уменьшениявысотызаполненногопузыряотразмерамолекулзаполняющего.аза

Серыеметки

– дообработки,

расныеметки

– послебработки.