آیا الکترونها واقعاً سیاره هایی کوچک هستند؟ تا کنون مشاهد ه کردیم که د ر اتم هیدروژ الکترون هسته اتم را در داخلی ترین مدار ممکن ترقریبا در فاصله دقیقف 5 میلیارددم سانیتمتر از هسته دور می زدند فاصله دقیق الکترون هیدروژن از هسته در نمودار موسوم به "الگوی اتمی بوهر " ،9- 10×29/5 سانتیمتر ذکرشده است از سوی دیگر مشاهده شد که مقایسه اتم به منظومه شمسی مقایسه ای کامل نیست .البته این درست است که الکترون فقط درترازهای انرژی در الگوی مداری (سیاره ای ) شامل مدارهای 1،2،3 می شوند ..ولی با وجود این یک الکترون در پایین ترین تراز انرژی هیچ گاه در همه اوقات دقیقاً 29/5 میلیارددم سانتیمتر از هسته دورنخواهد بود و این رقم فقط ارزش میانگن است .

اگر محدوده دور هسته اتم را به سه منطقه تقسیم کنیم :

منطقه 1: گلوله ای باشعاع 5 میلیارددم سانتیمتر ،منطقه 2: شامل تمام فواصل بین 5الی 10 میلیارددم سانتیمتر و منطقه 3: شامل بقیه محدوه هسته اتم خواهد بود .سپس مشخص می شود که درحالت عادی د ر32% ار اتمها ،الکترون درمنطقه 1، در 44%ازاتمها در منطقه 2و در 24%از اتمها در منطقه 3 قرار دارد . در هر اتم معین فقط با درصدی از احتمال می توان گفت که الکترون درحال حاضر در کجا قرار دارد . مثلامی توان گفت احتمال اینکه الکترون درمنطقه 1باشد 32%است اگر چه الگوی مداری کامل نیست ولی ه به هر حال برای قدمهای اولیه و بیساری از تفکرات ساده درباره اتم نمونه ای عملی است و به خاطر همین ما در این کتاب چند با ر دیگر هم از این الگو استفاده خواهیم کرد. درحقیقت هیچ گاه نباید فراموش کرد که انسان رفتار طبیعت در "قلمروعلوم اتمی" را به هر حال نمی تواند به طورکامل در ک کند و ذهنیت ببخشد بلکه قادر است فقط قسمتهایی از خصوصیات آنها را به صورت الگو و مدل و نمودار مجسم کند که البته هیچ گاه خصوصیات کامل آنها را در بر نخواهد گرفت .
ماهیت موجی و ذره الی نو را به خاطر بیاورید همان طورکه تئوری موجی نور تمام خصوصیات نور را توضیح نمی دهد الگوی مداری اتمها هم نمی تواندتمام تمام ماهیت آنها را بیان کند.

هسته اتم از چه تشکیل شده است ؟

هسته اتم از دو نوع ذره که "پرو تون " و "نوترون" نامیده می شوند تشکیل شده است هر دو ذره تقریبا حدود 2000 بار سنگین تر از الکتر ون هستند درحالی که "پروتون "بار الکتر یکی مثبت دارد این بار دارای ارزش عددی معادل بارمنفی الکترون است "نوترون "همان طور که از نامش پیداست خنثی است و به عبارت دیگر دارای بار الکتریکی نمی باشد .
پروتونها و نوترونها "نوکلئون" نیز نامیده می شوند که به معنای سنگ بنای هسته است . ارزش بار الکتریکی الکترونها و پرو تو نها "با ر بنیادی " نامیده می شود .
تعدادپرتونهای یک هسته مشخص می کند که این هسته به کدام عنصر شیمیایی تعلق دارد مثلا اتمهای هیدروژن یکپرتونکربن 6و اتمهای اورانیوم 922پرتون درهسته های خود دارند. تعداد نوترونها دریک عنصر معین می تواند متغیرباشد مثلا هسته های اتم هیدروژن با صفر ،یک یا دو نوترون وجود دارد که به اصطلاح ایرو تو پ های هیدروژن نامیده می شوند .

اگریک هسته اتم فر ضاَ 6پروتون مثبت داشته باشد 6الکترون منفی به دور آن در گردش خواهند بود به طوری که آن اتم درمجموع از نظر الکتریکی خنثی می باشد .
اگر در این اتم یک الکترون از دست برود در نتیجه 6پروتون در مقابل 5الکترون وجود خواهد داشت آنگاه گفته می شود که این اتم دارای بار الکتریکی 1+ مثبت خواهد بود . این اتمهای بار دار را آیون می خوانند.
بسیاری از هسته های اتمی به صورت هسته های سبکتر فر و می باشند و از این طریق اشعه آلفا (هسته های هلیوم)، اشعیه بتا (الکترونها) یا اشعه گاما(فوتونها ) را از خود آزاد کرده متشر می نمایند این رفتار یا خاصیت را رادیو اکتیویته می نامند .

نقاط کوانتومی ــ یا نانوکریستال‌ها ــ در دستة نیمه‌رساناها جای می‌گیرند. نیمه‌رساناها اساس صنایع الکترونیک جدید هستند و در ابزارهایی مانند دیودهای نوری و رایانه‌های خانگی به کار گرفته می‌شوند. اهمیت نیمه‌رساناها در این است که رسانایی الکتریکی این مواد را می‌توان با محرک‌های خارجی مانند میدان الکتریکی یا تابش نور تغییر داد، تا حدی که از نارسانا به رسانا تبدیل شوند و مانند یک کلید عمل کنند. این خاصیت، نیمه‌رساناها را به یکی از اجزای حیاتی انواع مدارهای الکتریکی و ابزارهای نوری تبدیل کرده است.
نقاط کوانتومی، به خاطر کوچک بودنشان، دستة منحصربه‌فردی از نیمه‌رساناها به شمار می‌روند. پهنای آنها، بین 2 تا 10 نانومتر، یعنی معادل کنار هم قرار گرفتن 10 تا 50 اتم است. در این ابعاد کوچک، مواد رفتار متفاوتی دارند و این رفتار متفاوت قابلیت‌های بی‌سابقه‌ای در کاربردهای علمی و فنی به نقاط کوانتومی می‌بخشد.

کارآیی نقاط کوانتومی به خاطر قابل تنظیم بودن طول موجی است که بیشترین شدت نور را تابش می‌کند. وقتی نقاط کوانتومی را با محرک نور ماورای بنفش وادار به تابش کنیم، این طول موج، رنگ نقاط کوانتومی را مشخص می‌کند (شکل). مقدار این طول موج به جنس و اندازة نقاط کوانتومی بسیار حساس است و روش‌های جدید در فناوری نانو، به تولیدکنندگان آنها توانایی زیادی در کنترل دقیق این طول موج بخشیده است. این خاصیت مهم نقاط کوانتومی، فقط با مکانیک کوانتومی قابل توصیف است که در ادامه به آن اشاره می‌کنیم.
الکترون‌ها در مواد نیمه‌رسانا ــ در اندازه‌های بسیار بزرگتر از 10 نانومتر ــ بازة مشخصی از انرژی را دارند. وقتی یک الکترون انرژی متفاوتی از الکترون دیگر دارد، گفته می‌شود که در یک تراز انرژی متفاوت قرار دارد. خاصیت ذاتی الکترون‌ها باعث می‌شود که بیش از دو الکترون نتوانند در یک تراز انرژی قرار بگیرند. در یک تودة بزرگ از مادة نیمه‌رسانا، ترازهای انرژی بسیار نزدیک هم هستند؛ آن‌قدر نزدیک که به صورت یک بازة پیوسته توصیف می ‌شوند، یعنی تفاوت انرژی دو تراز مجاور در حدّ صفر است.
خاصیت دیگر موادّ نیمه‌رسانا این است که درون بازة پیوستة انرژی‌هایش یک گپ (شکاف، فاصله) وجود دارد، یعنی الکترون‌ها مجاز به داشتن انرژی در این گپ نیستند. الکترون‌هایی که ترازهای پایین گپ را اشغال می‌کنند «الکترون‌های ظرفیت در باند ظرفیت» و الکترون‌های ترازهای بالای گپ «الکترون‌های رسانش در باند رسانش» نامیده می‌شوند.
در مواد نیمه‌رسانا به حالت توده‌ای، درصد بسیار کمی از الکترون‌ها در نوار رسانش قرار می‌گیرند و بیشتر الکترون‌ها در نوار ظرفیت قرار می‌گیرند، به طوری که آنها را تقریباً پر می‌کنند. همین پدیده باعث می‌شود که موادّ نیمه‌رسانا در حالت عادی (غیر برانگیخته) نارسانای جریان الکتریکی باشند. اگر الکترون‌های بیشتری بخواهند در باند رسانش قرار گیرند، باید انرژی کافی برای بالارفتن از گپ انرژی دریافت کنند. تحریک با نور، میدان الکتریکی یا گرما می‌تواند تعدادی از الکترون‌ها را از نوار ظرفیت به نوار رسانش بفرستد. در این حالت، تراز ظرفیتی که خالی می‌شود، «حفره» نام دارد، زیرا در طی این رویداد، یک حفرة موقت در نوار ظرفیت به وجود می‌آید.
تحریکی که باعث جهش الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش و ایجاد حفره می‌شود، باید انرژی‌ای بیش از پهنای گپ داشته باشد. انرژی پهنای گپ در نیمه‌رساناهای توده‌ای، مقدار ثابتی است که تنها به ترکیب آن مواد بستگی دارد. الکترون‌هایی که به نوار رسانش برانگیخته شده‌اند، بعد از مدتی دوباره به نوار ظرفیت برمی‌گردند. در این بازگشت، ابتدا الکترون‌ها جهش‌های بسیار کوچکی می‌کنند و از طریق لرزش‌های گرمایی انرژی‌شان را به باقی تودة ماده منتقل می‌نمایند که در نتیجه انرژی به پایین‌ترین تراز سطح در نوار رسانش می‌رسد و سپس با تابش انرژی به صورت نور، به نوار ظرفیت منتقل می‌شوند. از آنجا که گپ انرژی نیمه‌رسانا کاملاً معین است، نور تنها در طول موج معینی تابش می‌شود.

در نقاط کوانتومی امکان تغییر اندازة گپ انرژی وجود دارد. می‌توان با این امکان، طول موج نور تابش‌شده را تنظیم کرد. نقاط کوانتومی هم از موادّ نیمه‌رسانا تشکیل شده‌اند. الکترون‌ها در نقاط کوانتومی بازه‌ای از انرژی‌ها را دارند. مفاهیم تراز انرژی، گپ انرژی، نوار رسانش و نوار ظرفیت هم هنوز معتبرند. با این حال، یک تفاوت بارز وجود دارد: وقتی یک الکترون به نوار رسانش برانگیخته می‌شود، باید به طور حقیقی، مقداری هم در ماده جابه‌جا شود. این فاصلة کوچک را به احترام نیلز بور، فیزیکدان دانمارکی، «شعاع بور» می‌نامند. در تودة ماده این جابه‌جایی بسیار کوچکتر از ابعاد جسم است، به طوری که الکترون به‌راحتی می‌تواند در ماده به اندازة لازم جابه‌جا شود. اما اگر کریستال نیمه‌رسانا در حدّ شعاع بور کوچک باشد، دیگر قواعد تودة ماده بر آن حاکم نیست. در این حالت، دیگر نمی‌توان انرژی‌های مجاز را پیوسته در نظر گرفت و بین هر دو تراز انرژی فاصله می‌افتد. تحت این شرایط، مادة نیمه‌رسانا دیگر خاصیت‌های حالت توده‌ای خود را از دست می‌دهد. این اختلاف تأثیر زیادی روی شرایط جذب یا تابش نور در نیمه‌رسانا دارد.
از آنجا که ترازهای انرژی در نقاط کوانتومی دیگر پیوسته نیستند، کاستن یا افزودن تعدادی اتم به نقطة کوانتومی، باعث تغییر در حاشیة گپ انرژی می‌شود. تغییر نحوة چیده شدن اتم‌ها در سطح نقطة کوانتومی هم باعث تغییر انرژی گپ می‌شود، که باز هم به دلیل اندازة بسیار کوچک این نقاط است. اندازة گپ انرژی در نقطة کوانتومی همیشه بزرگتر از حالت تودة ماده است. یعنی الکترون‌ها برای جهش از روی گپ، باید انرژی بیشتری آزاد کنند. بنابراین، نور تابش‌شده هم باید طول موج کوتاه‌تری داشته باشد، یا به اصطلاح، انتقال به آبی یافته باشد. این خاصیت باعث ایجاد قابلیت تنظیم طول موج تابشی، و در واقع انتخاب رنگ دلخواه برای نقاط کوانتومی می‌گردد.

روش ساختن نقاط کوانتومی
برای ساختن نقاط کوانتومی می‌توان هم از روش‌های بالا به پایین و هم از روش‌های پایین به بالا استفاده کرد. روش‌های پایین به بالا امکان تولید انبوه و ارزان نقاط کوانتومی را ایجاد کرده‌اند. مزیت استفاده از روش‌های بالا به پایین، در امکان کنترل بیشتر محل نقاط کوانتومی و جاسازی آنها درون مدارهای الکترونیکی یا ابزارهای آزمایش است.
یکی از روش‌های پایین به بالا، سنتز کولوئیدی است. در این روش، نمک‌های فلزی به صورت محلول تحت شرایط کنترل‌شده، به حالت بلوری درمی‌آیند. مهمترین مرحله در این روش، جلوگیری از بزرگ شدن بیش از حد مطلوب این بلورهای نانومتری است که با تغییر دما یا افزودن موادّ خاتمه‌دهندة واکنش یا تثبیت‌کننده‌ها صورت می‌گیرد. در این حالت، برای جلوگیری از به‌هم‌پیوستن ذرات کوانتومی، آنها را با یک لایه از سورفَکتنت‌ها می‌پوشانند. هر چه مراحل سنتز دقیق‌تر کنترل شوند ذرات یکنواخت‌تری به وجود می‌آیند.

نوع خاصی از نشاندن لایه‌های نازک با استفاده از واکنش‌های الکتروشیمیایی هم از روش‌های دیگر پایین به بالا برای ساختن نقاط کوانتومی هستند.
در روش‌های بالا به پایین، نقاط کوانتومی به صورت نقطه به نقطه روی سطوح سیلیکون حک می‌شوند. این کار با استفاده از لیتوگرافی پرتو الکترونی یا لیتوگرافی قلم آغشته در ابعاد بسیار ریز امکان‌پذیر است. در این حالت، می‌توان به‌دقت محل قرارگیری نقاط کوانتومی را کنترل کرد و با طراحی مدارهای مناسب در اطراف آنها، بین یک یا چند نقطة کوانتومی با دنیای ماکروسکوپی ارتباط برقرار نمود.

با استفاده از لیتوگرافی پرتو الکترونی می‌توان نقاط کوانتومی را در محل مشخصی حک کرد و با طراحی مدارهای مناسب اطراف آنها، بین یک یا چند نقطة کوانتومی با دنیای ماکروسکوپی ارتباط برقرار نمود.

کاربردهایی برای نقاط کوانتومی
1. نشانگرهای بیولوژیکی
امکان تابش در فرکانس‌های مطلوب، نقاط کوانتومی را ابزاری کارآمد برای نشانه‌گذاری و تصویربرداری از سلول‌های موجودات زنده ساخته است. می‌توان نقاط کوانتومی را به انتهای بیومولکول‌های بزرگ مانند پروتئین‌ها یا رشته‌های DNA متصل کرد و از آنها برای شناسایی و ردیابی بیماری‌های درون بدن موجودات زنده استفاده کرد. تنوع طول موج‌های تابش نقاط کوانتومی این امکان را فراهم آورده است که همزمان چندین نشانگر را در اجزای سلول زنده به کار برد و از نحوه و میزان برهمکنش آنها مطلع شد.
پیش از این از مولکول‌های رنگی برای این کار استفاده می‌شد که تنوع کمتری از نقاط کوانتومی از نظر رنگ‌ دارند و بیشتر باعث اختلال در فعالیت سلول‌های زنده می‌شوند و برای به‌کارگیری در درون بدن موجودات زنده مناسب نیستند.

2. دیودهای نورانی سفید
قابلیت تنظیم اندازة گپ انرژی با نقاط کوانتومی، این قابلیت را در اختیار ما می‌گذارد که آنها را به عنوان دیود نورانی به کار بگیریم. به این ترتیب، می‌توان به بازة بیشتری از رنگ‌ها دست یافت و منابع نور با کارآیی بسیار بالا ایجاد کرد. همچنین با ترکیب نقاط کوانتومی با ابعاد مختلف، می‌توان منابع پربازده برای تولید نور سفید ایجاد کرد، زیرا همة آنها را می‌توان از یک طریق برانگیخت.
می‌دانیم که نور سفید را می‌توان به نورهایی با رنگ‌های مختلف تجزیه کرد؛ مانند همان چیزی که در رنگین‌کمان مشاهده می‌کنیم. معکوس این حالت هم امکان‌پذیر است، یعنی می‌توان با ترکیب سه پرتو نوری یا بیشتر، با طول موج‌های مختلف، نوری تولید کرد که سفید به نظر بیاید. با آنکه نقاط کوانتومی در ابعاد مختلف طول موج‌های مختلفی تابش می‌کنند، اما همة آنها را می‌توان با یک پرتو نور دارای طول موجی در محدودة ماورای بنفش تحریک کرد. درست مانند شکل (ارلن‌های رنگی) که همة محلول‌ها تحت تابش یک منبع قرار دارند. حال اگر سه تا از این محلول‌ها، و حتی بیشتر، را مخلوط کنیم، با جذب نور ماورای بنفش، نور سفیدرنگی از خود ساطع می‌کنند. چون طیف تابشی نقاط کوانتومی بسیار باریکتر از لامپ‌های التهابی است، دیگر اتلاف انرژی به صورت نور مادون قرمز، که در روشنایی لامپ بی‌تأثیر است، وجود ندارد. در نتیجه، منبع نور سفید با بازدهی بسیار بیشتری خواهیم داشت.

3. اتم‌های مصنوعی
باردار کردن نقاط کوانتومی، به علت کوچکی، به سادگیِ باردار کردن اجسام بزرگ نیست. برای اضافه کردن هر الکترون به یک نقطة کوانتومی، باید بر انرژی الکترواستاتیک بین الکترون‌های روی نقطة کوانتومی غلبه کرد. این کار را با اِعمال میدان الکتریکی انجام می‌دهند. الکترون‌هایی که به نقاط کوانتومی اضافه می‌شوند، در ترازهای گسستة انرژی قرار می‌گیرند. این ترازها شبیه ترازهای مختلف اتم‌های عناصرند. به همین علت، به این نقاطِ کوانتومی باردارشده «اتم‌های مصنوعی» می‌گویند که خواصی متفاوت از اتم‌های عناصر طبیعی دارند. این اتم‌ها، امروزه موضوع تحقیقات وسیعی هستند و تعدادی از آنها به نام اولین کسی که این آزمایش‌ها را رویشان انجام داده، نامگذاری شده است.

4. عناصر مدارهای نوری
یکی از اصلی‌ترین چالش‌های صنعت ارتباطات، سرعت انتقال داده‌هاست که در حال حاضر به علت محدودیت طبیعیِ نیمه‌رساناهای توده‌ای در جذب و پاسخ به سیگنال، نمی‌تواند بیشتر از این شود. قابلیت تنظیم انرژی گپ و به تبع آن طیف جذبی و خواص ویژة نقاط کوانتومی، می‌تواند بر این مشکل فائق آید. نقاط کوانتومی همچنین قابلیت ایجاد لیزرهای کارآمدتر با اغتشاش کمتر برای ارتباطات سریع‌تر را فراهم می‌کنند.

5. مولدهای انرژی خورشیدی
در نبود سوخت‌های فسیلی، یکی از منابع مهم تولید انرژی الکتریکی، تابش خورشید است. مشکل اصلیِ مولدهای کنونیِ انرژی خورشیدی، هزینة بالا و کارآیی کمِ آنهاست. سلول‌های خورشیدی از موادّ نیمه‌رسانا تشکیل شده‌اند که با جذب نور خورشید، الکترون‌ها را به ترازهای باند رسانش هدایت می‌کنند و به نحوی باعث ایجاد نیروی محرکة الکتریکی می‌شوند. بازدهی سلول‌های خورشیدی توسط طیف جذبی آنها که جزو خواص ذاتی نیمه‌رساناهای توده‌ای است تعیین می‌شود. با طراحی نقاط کوانتومی که بیشتر همپوشانی را در طیف جذبی با طیف نور خورشید داشته باشند، می‌توان بازدهی مولدهای انرژی خورشیدی را تا بیش از 90 درصد افزایش داد.

 
کلمه "اگزایمر" از عبارت "دیمر تحریک شده" بدست آمده است که بدین معنی است که یک مولکول دو اتمی وقتی در حالت تحریکی واقع است پایدار است و در حالت پایه ناپایدار است. چنین مواردی مشخصا عباتند از هالوژنهای گاز نادر مانند ArF ، KrF و XeCl. اگر نمودار انرژی بر حسب فاصله بین مولکلی را برای حالت پایه یک مولکول معمولی رسم کنیم منحنی با یک انرژی مینیمم در حالت جدایی در حالت پایه مولکول بدست می‌آوریم. چنین منحنی‌هایی را می‌توان برای حالتهای تحریکی بدست آورد. ولی برای دیمرها گر چه حالتهای تحریکی دارای مینیمم است ولی حالت پایه دارای مینیمم نیست.

ایجاد جمعیت معکوس

بطور وضوح در حالت تعادل مولکولهای کمی در حالت پایه وجود دارند و مولکولها ناپایدارند. از اینرو نمی‌توان تحریک را مستقیم از حالت پایه بدست آورد. چندین امکان برای تحریک غیر مستقیم در تخلیه وجود دارد. برای مثال در ArF مراحل زیر اتفاق می‌افتد. ابتدا برخورد الکترونی داریم:

یونهای منفی با یونهای مثبت موجود مولکول تحریک شده را تولید می‌کنند:

با وجود این راه غیر مستقیم ، چنین واکنشهایی می‌تواند در تحریک کردن مولکولهای دیمر بسیار مؤثر باشد. به دلیل جمعیت کم در حالت پایه ، جمعیت معکوس به راحتی حاصل می‌شود. حتی وقتی که لیزر در حال کار است جمعیت حالت پایه خالی باقی می‌ماند، به دلیل آنکه حالت پایه ناپایدار است. به محض آنکه مولکول در حالت پایه قرار می‌گیرد اتمها به سرعت از یکدیگر جدا می‌شوند و مولکول تجزیه می‌شود.

فرآیند دمش

برای دمش این لیزرها تخلیه الکتریکی ، پرتوهای الکترونی و حتی پرتوهای فوتونی بکار می‌روند، گر چه در لیزرهای تجارتی معمولا از روش تخلیه الکتریکی استفاده می‌شود. دمش بسیار قوی به منظور ایجاد واکنشهای فوق مورد نیاز است که منجر به عمل لیزر به صورت ضربانی می‌شود. تجهیزاتی مانند آنچه در لیزر ازت به منظور دمش لیزر مورد نیاز است. بعضی از مواقع با استفاده از پرتوهای ماوراء بنفش و یا پرتوهای ایکس گازی محفظه تخلیه ابتدا کمی یونیزه می شود که تخلیه الکتریکی را بعدا سرعت می بخشد. غالبا تجهیزاتی نیز به منظور تعویض نوع گاز و تغییر طول موج لیزر نیز ساخته می‌شود. در هر صورت ضروری است بطور منظم گاز داخل محفظه لیزر تعویض شود تا از کاهش و تغییر خروجی لیزر ممانعت شود. لازم به توضیح است که بعضی از این مواد بخصوص گاز فلوئور سمی است.

توان و بازه فرکانسی

تعداد نسبتا زیادی لیزرهای اگزایمر ساخته شده‌اند که ناحیه طول موجهای 120 تا 500 نانومتر را در بر می‌گیرند. بعضی از آنها به خصوص XeF و KrF دارای کارآیی مؤثر 15-10% می‌باشند. توان ماکزیمم تا 1 ژول با توان متوسط حدود 200 وات قابل حصول است. چنین ضربانهای با توان بالا به خصوص جهت دمش لیزرهای رنگی مورد نیاز است.