TUNNELI EFEKT, kvantefekt, mis seisneb kvantosakese tungimises läbi ruumipiirkonna, millesse klassikaliste seaduste kohaselt füüsika, osakese leidmine on keelatud. Klassikaline osake koguenergiaga E ja potentsiaaliga. väli saab asuda ainult nendes ruumipiirkondades, kus selle koguenergia ei ületa potentsiaali. väljaga vastasmõju energia U. Kuna kvantosakese lainefunktsioon on kogu ruumi ulatuses nullist erinev ja osakese leidmise tõenäosus teatud ruumipiirkonnas on antud lainefunktsiooni mooduli ruuduga, siis keelatud (klassikalise mehaanika seisukohalt ) piirkondades on lainefunktsioon nullist erinev.
T Tunneliefekti on mugav illustreerida ühemõõtmelise osakese mudeliülesande abil potentsiaaliväljas U(x) (x on osakese koordinaat). Sümmeetrilise kahe süvendiga potentsiaali korral (joonis a) peab lainefunktsioon „mahtuma“ kaevudesse, st esindab seisulaine. Diskreetsed energiaallikad tasemed, mis asuvad allpool potentsiaali miinimume eraldavat barjääri, moodustavad tihedalt asetsevad (peaaegu degenereerunud) tasemed. Energia erinevus tasemed, komponendid, nn. tunneli lõhenemine, on see erinevus tingitud asjaolust, et ülesande täpne lahendus (lainefunktsioon) on igal juhul lokaliseeritud nii potentsiaali miinimumi kui ka täpsed lahendused vastavad mitte-mandunud tasemetele (vt.). Tunneliefekti tõenäosus määratakse lainepaketi barjääri läbimise koefitsiendiga, mis kirjeldab ühes potentsiaalses miinimumis lokaliseeritud osakese mittestatsionaarset olekut.
Potentsiaalsed kõverad osakese energia U (x) juhul, kui sellele mõjub külgetõmbejõud (a - kaks potentsiaalikaevu, b - üks potentsiaalikaev) ja juhul, kui osakesele mõjub tõukejõud (tõukepotentsiaal, c). E - koguenergia osakesed, x - koordinaat. Õhukesed jooned kujutavad lainefunktsioone.
Potentsiaalis välja ühe lokaalse miinimumiga (joonis b) osakesele, mille energia E on suurem kui interaktsioonipotentsiaal c =, diskreetne energia. olekuid pole olemas, kuid on hulk kvaasistatsionaarseid seisundeid, milles suhestub suur. miinimumi lähedal oleva osakese leidmise tõenäosus. Sellistele kvaasistatsionaarsetele olekutele vastavad lainepaketid kirjeldavad metastabiilseid; lainepaketid levivad laiali ja kaovad tunneliefekti tõttu. Neid olekuid iseloomustavad nende eluiga (lagunemise tõenäosus) ja energia laius. tasemel.
Tõrjuva potentsiaaliga osakese puhul (joonis c) lainepakett, mis kirjeldab potentsiaali ühel küljel olevat mittestatsionaarset olekut. barjäär, isegi kui osakese energia selles olekus vähem kõrgust barjäär, võib teatud tõenäosusega (mida nimetatakse läbitungimise tõenäosuseks või tunnelistumise tõenäosuseks) läbida tõkke teise poole.
Naib. tunneliefekti avaldumiseks olulised: 1) diskreetsete võnkumiste tunneli lõhenemine, pöörlemine. ja elektrooniline-kaaslebat. tasemed. Võnkumiste lõhenemine. tasandub mitmega. samaväärsed tasakaalu tuumakonfiguratsioonid on inversiooni kahekordistamine (tüüpi), tasemete jagamine inhibeeritud sisemisega. rotatsioon ( , ) või in , mille puhul intra-mol. ümberkorraldused, mis viivad samaväärsete tasakaalukonfiguratsioonideni (nt PF 5). Kui erinev samaväärseid miinimume ei eraldata potentsiaaliga. barjäärid (näiteks parema- ja vasakukäeliste komplekside tasakaalukonfiguratsioonid), seejärel tegelike muulide adekvaatne kirjeldus. süsteemid saavutatakse lokaliseeritud lainepakettide abil. Sel juhul on korpus kalibreeritud kahes miinimumis statsionaarsed olekud ebastabiilne: väga väikeste häirete mõjul on võimalik kahe oleku moodustumine, mis on lokaliseeritud ühes või teises miinimumis.
Kvaasi-degenereerunud rühmade lõhenemine pöörleb. olekud (nn rotatsiooniklastrid) on samuti tingitud moli tunnelimisest. süsteemid mitme linnaosa vahel. samaväärsed statsionaarsed pöörlemisteljed. Elektronide vibratsiooni lõhenemine. (vibroonilised) seisundid esineb tugevate Jahn-Telleri efektide korral. Tunneli lõhenemist seostatakse ka moodustunud tsoonide olemasoluga elektroonilised olekudüksikisik või mol. fragmendid perioodiliselt struktuur.
2) Osakeste ülekande nähtused ja elementaarergastused. See nähtuste kogum sisaldab mittestatsionaarseid protsesse, mis kirjeldavad üleminekuid diskreetsete olekute vahel ja kvaasistatsionaarsete olekute lagunemist. Üleminekud diskreetsete olekute vahel, mille lainefunktsioonid on lokaliseeritud erinevates olekutes. minimaalselt üks adiabaatiline. potentsiaal, vastavad erinevatele kemikaalidele. r-sioonid. Tunneliefekt annab liikumiskiirusele alati teatud panuse, kuid see panus on märkimisväärne ainult siis, kui madal t-rah, kui barjääriülene üleminek algolekust lõppolekusse on ebatõenäoline vastavate energiatasemete väikese populatsiooni tõttu. Tunneliefekt avaldub r-tooni kiiruse mitte-Arrheniuse käitumises; tüüpiline näide- ahela kasv kiirgusest initsieeritud tahke aine ajal. Selle protsessi kiirus temperatuuril on ca. 140 K on Arrheniuse seadusega rahuldavalt kirjeldatud
- Tõlge
Alustan kahega lihtsad küsimusedüsna intuitiivsete vastustega. Võtame kausi ja palli (joon. 1). Kui mul on vaja:
Pall jäi liikumatuks pärast seda, kui ma selle kaussi asetasin, ja
see jäi kaussi liigutamisel ligikaudu samasse asendisse,
Kuhu ma selle siis panema peaksin?
Riis. 1
Muidugi pean selle asetama keskele, päris alla. Miks? Intuitiivselt, kui ma panen selle kuhugi mujale, veereb see põhja ja flopib edasi-tagasi. Selle tulemusena vähendab hõõrdumine rippumise kõrgust ja aeglustab seda allpool.
Põhimõtteliselt võib proovida palli kausi serval tasakaalustada. Aga kui ma seda veidi raputan, kaotab pall tasakaalu ja kukub. Nii et see koht ei vasta minu küsimuse teisele kriteeriumile.
Asendit, milles pall jääb liikumatuks ja millest see kausi või palli väikeste liigutustega eriti ei kaldu, nimetagem "palli stabiilseks asendiks". Kausi põhi on selline stabiilne asend.
Järgmine küsimus. Kui mul on kaks kaussi nagu joonisel fig. 2, kus on palli stabiilsed positsioonid? See on samuti lihtne: selliseid kohti on kaks, nimelt kummagi kausi põhjas.
Riis. 2
Lõpuks veel üks küsimus intuitiivse vastusega. Kui asetan palli kausi 1 põhja ja seejärel lahkun ruumist, sulgen selle, jälgin, et keegi sinna ei läheks, kontrollin, et selles kohas poleks olnud maavärinaid ega muid lööke, siis kui suur on tõenäosus, et kümme aastat, kui ma Kui ma toa uuesti avan, leian kausi 2 põhjast palli? Muidugi null. Selleks, et pall liiguks kausi 1 põhjast kausi 2 põhja, peab keegi või miski võtma palli ja liigutama seda ühest kohast teise, üle kausi 1 serva, kausi 2 suunas ja seejärel üle serva kausist 2. Ilmselgelt jääb pall kausi 1 põhja.
Ilmselgelt ja sisuliselt tõsi. Ja siiski, sisse kvantmaailm, milles me elame, ei jää ükski objekt tõeliselt liikumatuks ja selle asukoht on täpselt teadmata. Seega pole ükski neist vastustest 100% õige.
Tunneldamine
Riis. 3
Kui asetan elementaarosakese nagu elektron magnetlõksusse (joonis 3), mis töötab nagu kauss, kipub elektroni tsentri poole lükkama samamoodi nagu gravitatsioon ja kausi seinad lükkavad palli keskpunkti poole. kausist joonisel fig. 1, siis milline saab olema elektroni stabiilne asend? Nagu intuitiivselt eeldada võib, jääb elektroni keskmine asend paigale ainult siis, kui see asetatakse lõksu keskele.
Kuid kvantmehaanika lisab ühe nüansi. Elektron ei saa paigal püsida; selle asukoht on allutatud "kvantvärinale". Seetõttu muutub selle asend ja liikumine pidevalt või isegi teatud määral ebakindlust (see on kuulus "määramatuse printsiip"). Ainult elektroni keskmine asend on lõksu keskel; kui vaadata elektroni, siis see on kusagil mujal lõksus, keskme lähedal, kuid mitte päris seal. Elektron on paigal ainult selles mõttes: tavaliselt ta liigub, kuid tema liikumine on juhuslik ja kuna ta on lõksus, siis keskmiselt ei liigu ta kuhugi.
See on veidi kummaline, kuid see peegeldab lihtsalt tõsiasja, et elektron ei ole see, mida te arvate, ega käitu nagu ükski objekt, mida olete näinud.
See, muide, tagab ka selle, et erinevalt kausi servas olevast kuulist ei saa elektroni lõksu serval tasakaalustada (nagu allpool joonisel 1). Elektroni asukoht ei ole täpselt määratletud, seega ei saa seda täpselt tasakaalustada; seetõttu kaotab elektron isegi ilma lõksu raputamata tasakaalu ja kukub peaaegu kohe maha.
Kuid veidram on juhtum, kus mul on kaks lõksu teineteisest eraldatud ja ma asetan ühte neist elektroni. Jah, ühe lõksu keskpunkt on elektronile hea ja stabiilne asend. See on tõsi selles mõttes, et elektron võib sinna jääda ega pääse välja, kui lõksu raputada.
Kui aga asetan elektroni lõksu nr 1 ja lahkun, sulgen ruumi vms, on teatud tõenäosus (joonis 4), et tagasi tulles on elektron lõksus nr 2.
Riis. 4
Kuidas ta seda tegi? Kui kujutate elektrone ette kuulidena, ei saa te sellest aru. Kuid elektronid ei ole nagu marmorid (või vähemalt mitte nagu teie intuitiivne ettekujutus marmorist) ja nende kvantvärin annab neile äärmiselt väikese, kuid nullilähedase võimaluse "läbi seinte kõndida" - näiliselt võimatu võimaluse liikuda teine pool. Seda nimetatakse tunneldamiseks – aga ärge arvake, et elektron kaevab seina auku. Ja sa ei saa teda kunagi seinast kinni – nii-öelda punase käega. See on lihtsalt see, et sein ei ole täiesti läbimatu sellistele asjadele nagu elektronid; elektrone ei saa nii kergesti lõksu jääda.
Tegelikult on see veelgi pöörasem: kuna see kehtib elektroni kohta, kehtib see ka vaasis oleva palli kohta. Kui ootate piisavalt kaua, võib pall sattuda vaasi 2. Kuid selle tõenäosus on äärmiselt väike. Nii väike, et isegi kui ootate miljard aastat või isegi miljardeid miljardeid miljardeid aastaid, sellest ei piisa. Praktilisest vaatenurgast ei juhtu seda "iialgi".
Meie maailm on kvant ja kõik objektid koosnevad sellest elementaarosakesed ja järgima kvantfüüsika reegleid. Kvantvärin on alati olemas. Aga enamik objektid, mille mass on võrreldes elementaarosakeste massiga suur - näiteks pall või isegi tolmukübe - see kvantvärin on liiga väike, et seda tuvastada, välja arvatud spetsiaalselt kavandatud katsetes. Ja sellest tulenevat võimalust läbi seinte tunnelida ei täheldata ka tavaelus.
Teisisõnu: iga objekt võib läbi seina tunneldada, kuid selle tõenäosus väheneb tavaliselt järsult, kui:
Objektil suur mass,
sein on paks (kahe külje vahel on suur vahemaa),
seina on raske ületada (seina läbimurdmiseks kulub palju energiat).
Põhimõtteliselt pääseb pall üle kausi serva, kuid praktikas ei pruugi see võimalik olla. Elektronil võib olla lihtne lõksust välja pääseda, kui lõksud on lähedal ja mitte väga sügaval, kuid see võib olla väga raske, kui nad on kaugel ja väga sügaval.
Kas tunneldamine tõesti toimub?
Riis. 5
Või äkki on see tunneldamine vaid teooria? Absoluutselt mitte. See on keemia jaoks ülioluline, esineb paljudes materjalides, mängib rolli bioloogias ning on põhimõte, mida kasutatakse meie kõige keerukamates ja võimsamates mikroskoopides.
Lühiduse huvides lubage mul keskenduda mikroskoobile. Joonisel fig. Joonisel 5 on kujutatud skaneeriva tunnelmikroskoobi abil tehtud aatomite kujutist. Sellel mikroskoobil on kitsas nõel, mille ots liigub sisse lähedal uuritavale materjalile (vt joonis 6). Materjal ja nõel on loomulikult aatomitest; ja aatomite tagaosas on elektronid. Jämedalt öeldes on elektronid lõksus uuritava materjali sees või mikroskoobi otsas. Kuid mida lähemal on ots pinnale, seda tõenäolisem on elektronide tunneliline üleminek nende vahel. Lihtne seade (materjali ja nõela vahel säilib potentsiaalide erinevus) tagab, et elektronid eelistavad hüpata pinnalt nõelale ja see voog on elektrit, mõõdetav. Nõel liigub üle pinna ja pind paistab otsast lähemal või kaugemal ning vool muutub – see muutub kauguse vähenedes tugevamaks ja suurenedes nõrgemaks. Jälgides voolu (või vastupidi, liigutades nõela üles ja alla, et säilitada alalisvool) pinna skaneerimisel teeb mikroskoop järelduse selle pinna kuju kohta ja sageli piisab üksikute aatomite väljatoomiseks detailist.
Riis. 6
Tunneldamine mängib looduses palju muid rolle ja kaasaegsed tehnoloogiad.
Tunneldamine erineva sügavusega püüniste vahel
Joonisel fig. 4 Ma pidasin silmas, et mõlemal lõksul oli sama sügavus – täpselt nagu mõlemal kaussil joonisel fig. 2 sama kuju. See tähendab, et elektron, olles mis tahes lõksus, hüppab sama suure tõenäosusega teise juurde.Oletame nüüd, et üks elektronilõks joonisel fig. 4 sügavam kui teine - täpselt sama, kui üks kauss joonisel fig. 2 oli teisest sügavam (vt joonis 7). Kuigi elektron võib tunneldada igas suunas, on tal palju lihtsam tunneldada madalamast lõksust sügavamale kui vastupidi. Seega, kui ootame piisavalt kaua, et elektronil oleks piisavalt aega kummaski suunas tunneldamiseks ja tagasipöördumiseks, ning seejärel asume mõõtma oma asukoha määramiseks, leiame selle kõige sagedamini sügavas lõksus. (Tegelikult on siin ka nüansse, kõik oleneb ka lõksu kujust). Veelgi enam, sügavuse erinevus ei pea olema suur, et tunnelimine sügavamast lõksust madalamale muutuks üliharuldaseks.
Lühidalt öeldes toimub tunnelistumine üldiselt mõlemas suunas, kuid tõenäosus, et see läheb madalast sügavamasse lõksu, on palju suurem.
Riis. 7
Just seda funktsiooni kasutab skaneeriv tunnelmikroskoop tagamaks, et elektronid liiguvad ainult ühes suunas. Põhimõtteliselt jääb mikroskoobi nõela ots uuritavast pinnast sügavamale lõksu, nii et elektronid eelistavad tunneldada pinnast nõelale, mitte vastupidi. Kuid mikroskoop töötab vastupidisel juhul. Püünised tehakse sügavamaks või madalamaks, kasutades jõuallikat, mis tekitab tipu ja pinna vahel potentsiaalse erinevuse, mis tekitab otsal olevate elektronide ja pinnal olevate elektronide vahel energiaerinevuse. Kuna elektrone on üsna lihtne panna ühes suunas tunneldama sagedamini kui teises, muutub see tunneldamine elektroonikas kasutamiseks praktiliselt kasulikuks.
1.7. Tunneliefekti kontseptsioon.
Tunneliefekt on osakeste läbimine potentsiaalne barjäär tõttu laine omadused osakesed.
Laske vasakult paremale liikuval osakesel kokku puutuda potentsiaalse kõrgusega U 0 ja laius l. Klassikaliste kontseptsioonide kohaselt läbib osake takistamatult üle barjääri, kui tema energia E suurem kui barjääri kõrgus ( E> U 0 ). Kui osakeste energia on väiksem kui barjääri kõrgus ( E< U 0 ), siis peegeldub osake barjäärilt ja hakkab liikuma vastupidises suunas; osake ei saa barjäärist läbi tungida.
Kvantmehaanika võtab arvesse osakeste laineomadusi. Laine jaoks on barjääri vasak sein kahe keskkonna piir, mille juures laine jaguneb kaheks laineks - peegeldunud ja murdunud. Seetõttu on isegi E> U 0 on võimalik (kuigi väikese tõenäosusega), et osake peegeldub barjäärilt ja millal E< U 0 on nullist erinev tõenäosus, et osake asub teisel pool potentsiaalset barjääri. Sel juhul näis osake "läbi tunneli".
Otsustame potentsiaalbarjääri läbiva osakese probleemühemõõtmelise ristkülikukujulise tõkke lihtsaima juhtumi jaoks, mis on näidatud joonisel 1.6. Tõkke kuju määrab funktsioon
. (1.7.1)
Kirjutame iga piirkonna jaoks Schrödingeri võrrandi: 1( x<0 ), 2(0< x< l) ja 3( x> l):
;
(1.7.2)
; (1.7.3)
. (1.7.4)
Tähistame
(1.7.5)
. (1.7.6)
Võrrandite (1), (2), (3) üldlahendused iga ala jaoks on kujul:
Vormi lahendus 
vastab lainele, mis levib telje suunas x, A 
- laine, mis levib vastupidises suunas. Piirkonnas 1 termin 
kirjeldab tõkkele langevat lainet ja terminit 
- tõkkelt peegeldunud laine. Piirkonnas 3 (barjäärist paremal) on ainult laine, mis levib x-suunas, seega 
.
Lainefunktsioon peab täitma pidevuse tingimust, seetõttu tuleb potentsiaalbarjääri piiridel olevad lahendused (6), (7), (8) "õmmelda". Selleks võrdsustame lainefunktsioonid ja nende tuletised at x=0 Ja x = l:
;
;
;
. (1.7.10)
Kasutades (1.7.7) - (1.7.10), saame neli võrrandid määramiseks viis koefitsiendid A 1 , A 2 , A 3 ,IN 1 Ja IN 2 :
A 1 +B 1 =A 2 +B 2 ;
A 2 exp( l) + B 2 exp(- l)= A 3 exp(ikl) ;
ik(A 1 - IN 1 ) = (A 2 -IN 2 ) ; (1.7.11)
(A 2 exp( l)-IN 2 exp(- l) = ikA 3 exp(ikl) .
Viienda seose saamiseks tutvustame peegeldustegurite ja barjääri läbipaistvuse mõisteid.
Peegelduskoefitsient nimetame seost
, (1.7.12)
mis määratleb tõenäosus osakese peegeldus barjäärist.
Läbipaistvuse tegur
(1.7.13)
annab tõenäosuse, et osake läheb mööda läbi tõkke. Kuna osake kas peegeldub või läbib barjääri, on nende tõenäosuste summa võrdne ühega. Siis
R+ D =1; (1.7.14)
. (1.7.15)
Seda see on viies süsteemi sulgev seos (1.7.11), millest kõik viis koefitsiendid
Suurimat huvi pakub läbipaistvuskoefitsientD. Pärast transformatsioone saame
,
(7.1.16)
Kus D 0 – ühtsusele lähedane väärtus.
Alates (1.7.16) on selge, et tõkke läbipaistvus sõltub tugevalt selle laiusest l, kui kõrge on barjäär U 0 ületab osakeste energiat E, ja ka osakese massist m.
KOOS 
klassikalisest vaatepunktist osakese läbimine potentsiaalbarjäärist at E<
U 0
on vastuolus energia jäävuse seadusega. Fakt on see, et kui klassikaline osake oleks mingil hetkel barjääripiirkonnas (piirkond 2 joonisel 1.7), siis oleks selle koguenergia väiksem potentsiaalsest energiast (ja kineetiline energia oleks negatiivne!?). KOOS kvantpunkt sellist vastuolu pole. Kui osake liigub tõkke poole, siis enne sellega kokkupõrget on tal väga spetsiifiline energia. Laske suhtlemisel barjääriga mõnda aega kesta
t, siis vastavalt määramatuse seosele ei ole osakese energia enam kindel; energia ebakindlus 
. Kui see määramatus osutub barjääri kõrguse suurusjärguks, lakkab see olemast osakese jaoks ületamatu takistus ja osake läheb sellest läbi.
Tõkke läbipaistvus väheneb järsult selle laiusega (vt tabel 1.1.). Seetõttu saavad osakesed tunnelimehhanismi tõttu läbida vaid väga kitsaid potentsiaalseid barjääre.
Tabel 1.1
Elektroni läbipaistvusteguri väärtused ( U 0 – E ) = 5 eV = konst
|
l, nm | |||||
Kaalusime ristkülikukujulist barjääri. Suvalise kujuga potentsiaalse barjääri korral, nagu on näidatud joonisel 1.7, on läbipaistvuskoefitsient järgmine
. (1.7.17)
Tunneliefekt avaldub paljudes füüsikalistes nähtustes ja sellel on olulised praktilised rakendused. Toome mõned näited.
1. Elektronide väljaelektronide (külm) emissioon.
IN 
1922. aastal avastati metallidest külma elektronide emissiooni nähtus tugeva välise elektrivälja mõjul. Potentsiaalse energia graafik U elektron koordinaadist x näidatud joonisel fig. Kell x
<
0 on metalli piirkond, milles elektronid saavad peaaegu vabalt liikuda. Siin võib potentsiaalset energiat pidada konstantseks. Metalli piirile tekib potentsiaalne sein, mis ei lase elektronil metallist lahkuda; seda saab ta teha ainult lisaenergiat omandades, võrdne tööga väljuda A.
Väljaspool metalli (at x >
0) vabade elektronide energia ei muutu, seega kui x> 0 graafik U(x)
läheb horisontaalselt. Loome nüüd metalli lähedusse tugeva elektrivälja. Selleks võtke terava nõela kujuline metalliproov ja ühendage see allika negatiivse poolusega. Riis. 1.9 Tunnelmikroskoobi tööpõhimõte
ka pinge, (see on katood); Lähedusse asetame teise elektroodi (anoodi), millega ühendame allika positiivse pooluse. Kui anoodi ja katoodi potentsiaalide erinevus on piisavalt suur, on võimalik katoodi läheduses tekitada elektriväli tugevusega umbes 10 8 V/m. Potentsiaalne barjäär metalli-vaakumi liidesel muutub kitsaks, elektronid lekivad sellest läbi ja lahkuvad metallist.
Väljaemissiooni kasutati külmkatoodidega vaakumtorude loomisel (need on nüüdseks praktiliselt kasutusest väljas); nüüd on see leidnud rakendust tunnelmikroskoobid, leiutasid 1985. aastal J. Binning, G. Rohrer ja E. Ruska.
Tunnelmikroskoobis liigub piki uuritavat pinda sond – õhuke nõel. Nõel skaneerib uuritavat pinda, olles sellele nii lähedal, et pinnaaatomite elektronkihtidest (elektronpilvedest) pääsevad elektronid laineomaduste tõttu nõelale. Selleks paneme nõelale allikast "plussi" ja uuritavale valimile "miinus". Tunneli vool on võrdeline nõela ja pinna vahelise potentsiaalse barjääri läbipaistvusteguriga, mis valemi (1.7.16) kohaselt sõltub barjääri laiusest l. Proovi pinda nõelaga skannides varieerub tunnelivool olenevalt kaugusest l, korrates pinnaprofiili. Nõela täpsed liigutused lühikestel vahemaadel tehakse piesoelektrilise efekti abil, selleks kinnitatakse nõel kvartsplaadile, mis elektripinge rakendamisel paisub või tõmbub kokku. Kaasaegsed tehnoloogiad võimaldavad toota nõela nii õhukese, et selle otsas on ainult üks aatom.
JA 
pilt moodustub arvuti ekraanil. Luba tunnelmikroskoop nii kõrge, et see võimaldab teil "näha" üksikute aatomite paigutust. Joonisel 1.10 on kujutatud räni aatompinna näidiskujutis.
2. Alfa radioaktiivsus ( - lagunemine). Selle nähtuse korral toimub radioaktiivsete tuumade spontaanne muundumine, mille tulemusena üks tuum (seda nimetatakse ematuumaks) kiirgab osakest ja muutub uueks (tütar)tuumaks, mille laeng on alla 2 ühiku. Meenutagem, et osake (heeliumi aatomi tuum) koosneb kahest prootonist ja kahest neutronist.
E 
Kui eeldada, et α-osake eksisteerib tuuma sees üksiku moodustisena, siis tema potentsiaalse energia sõltuvuse graafik radioaktiivse tuuma väljas olevast koordinaadist on joonisel 1.11 kujutatud kujul. Selle määrab tugeva (tuuma) interaktsiooni energia, mis on põhjustatud nukleonide üksteise külgetõmbumisest, ja Coulombi interaktsiooni energia (prootonite elektrostaatiline tõrjumine).
Selle tulemusena on tuumas energiaga osake E asub potentsiaalitõkke taga. Oma laineomaduste tõttu on teatud tõenäosus, et osake satub tuumast väljapoole.
3. Tunneli efekt sisselk- n- üleminek kasutatakse kahes pooljuhtseadmete klassis: tunnel Ja ümberpööratud dioodid. Tunneldioodide eripäraks on langeva sektsiooni olemasolu voolu-pinge karakteristiku otseharul - negatiivse diferentsiaaltakistusega sektsioonil. Pöörddioodide juures on kõige huvitavam see, et tagurpidi ühendamisel on takistus väiksem kui tagurpidi ühendamisel. Lisateavet tunnel- ja pöörddioodide kohta leiate jaotisest 5.6.
On võimalus, et kvantosake tungib läbi barjääri, mis on klassikalise elementaarosakese jaoks ületamatu.
Kujutage ette palli, mis veereb maasse kaevatud sfäärilise augu sees. Igal ajahetkel jaotub kuuli energia selle kineetilise energia ja potentsiaalse gravitatsioonienergia vahel proportsionaalselt sõltuvalt sellest, kui kõrgel kuul on augu põhja suhtes (vastavalt termodünaamika esimesele seadusele). . Kui pall jõuab augu äärde, on võimalikud kaks stsenaariumi. Kui selle koguenergia ületab potentsiaalse energia gravitatsiooniväli, mille määrab palli asukoha kõrgus, hüppab see august välja. Kui palli koguenergia on väiksem kui potentsiaalne gravitatsioonienergia augu külje tasemel, veereb pall alla, tagasi auku, vastaskülje suunas; hetkel, mil potentsiaalne energia on võrdne palli koguenergiaga, see peatub ja veereb tagasi. Teisel juhul ei veere pall kunagi august välja, kui sellele ei anta täiendavat kineetilist energiat – näiteks seda lükates. Newtoni mehaanikaseaduste järgi , pall ei lahku kunagi august ilma täiendavat hoogu andmata, kui tal ei ole piisavalt energiat, et üle parda veereda.
Kujutage nüüd ette, et kaevu küljed tõusevad maapinnast kõrgemale (nagu Kuukraatrid). Kui pallil õnnestub kukkuda üle sellise augu ülestõstetud külje, veereb see edasi. Oluline on meeles pidada, et sisse Newtoni maailm pall ja auk, ainuüksi asjaolu, et pärast augu külje ületamist, veereb pall edasi, ei ole mõtet, kui pallil ei ole piisavalt kineetilist energiat, et jõuda ülemisse serva. Kui see servani ei ulatu, ei tule see lihtsalt august välja ja vastavalt mitte mingil tingimusel ega kiirusega ega veere kuhugi kaugemale, olenemata sellest, mis kõrgusel külje servast väljaspool on pinnast.
Kvantmehaanika maailmas on asjad teisiti. Kujutagem ette, et sellises augus on kvantosake. Sel juhul me räägime mitte enam päris füüsilisest süvendist, vaid umbes tingimuslik olukord, kui osake vajab teatud energiavarustust, mis on vajalik barjääri ületamiseks, mis ei lase tal välja murda sellest, mida füüsikud on kokku leppinud nimetada. "potentsiaalne auk". Sellel süvendil on ka külje energiaanaloog - nn "potentsiaalne barjäär". Seega, kui väljaspool potentsiaalset barjääri on pinge tase energiaväli allpool , kui osakesel omav energia, on tal võimalus olla "üle parda", isegi kui selle osakese tegelik kineetiline energia ei ole piisav, et Newtoni mõistes tahvli servast "üle minna". Seda potentsiaalse barjääri läbiva osakese mehhanismi nimetatakse kvanttunneliefektiks.
See toimib nii: kvantmehaanikas kirjeldatakse osakest lainefunktsiooni kaudu, mis on seotud osakese asukoha tõenäosusega see koht V Sel hetkel aega. Kui osake põrkub potentsiaalse barjääriga, siis Schrödingeri võrrand võimaldab arvutada osakese läbitungimise tõenäosust, kuna barjäär ei neela lainefunktsiooni lihtsalt energeetiliselt, vaid kustub väga kiiresti – eksponentsiaalselt. Teisisõnu, potentsiaalne barjäär maailmas kvantmehaanika udune See muidugi takistab osakeste liikumist, kuid ei ole kindel, läbimatu piir, nagu see on klassikaline mehaanika Newton.
Kui barjäär on piisavalt madal või kui osakese koguenergia on lävelähedane, jätab lainefunktsioon, kuigi osakese barjääri servale lähenedes kiiresti väheneb, võimaluse sellest üle saada. See tähendab, et on teatud tõenäosus, et osake tuvastatakse teisel pool potentsiaalset barjääri – Newtoni mehaanika maailmas oleks see võimatu. Ja kui osake on ületanud barjääri serva (olgu tal Kuukraatri kuju), veereb see vabalt alla oma välimise nõlva august, millest see välja tuli, eemale.
Kvanttunneli ristmikku võib pidada osakese teatud tüüpi "lekkeks" või "perkolatsiooniks" läbi potentsiaalse barjääri, mille järel osake tõkkest eemaldub. Näiteid sellistest nähtustest on nii looduses kui ka kaasaegsetes tehnoloogiates küllaga. Võtame tüüpilise radioaktiivse lagunemise: raske tuum kiirgab alfaosakest, mis koosneb kahest prootonist ja kahest neutronist. Ühest küljest võib seda protsessi ette kujutada nii, et raske tuum hoiab tuumasiseste sidumisjõudude kaudu enda sees alfaosakest, nii nagu meie näites hoiti palli augus. Kuid isegi kui alfaosakel ei ole piisavalt vaba energiat tuumasiseste sidemete barjääri ületamiseks, on siiski võimalus selle tuumast eraldada. Ja jälgides spontaanset alfaemissiooni, saame eksperimentaalne kinnitus tunneliefekti tegelikkus.
Teine oluline näide tunneliefekt - termotuumasünteesi protsess, mis varustab tähti energiaga ( cm. Tähtede evolutsioon). Termotuumasünteesi üks etappe on kahe deuteeriumi tuuma (mõlemas üks prooton ja üks neutron) kokkupõrge, mille tulemusena moodustub heelium-3 tuum (kaks prootonit ja üks neutron) ning eraldub üks neutron. Coulombi seaduse järgi kahe osakese vahel koos võrdne laeng(V sel juhul prootonid, mis moodustavad deuteeriumi tuumad) toimivad võimsaim jõud vastastikune tõrjumine – see tähendab, et seal on võimas potentsiaalbarjäär. Newtoni maailmas ei suutnud deuteeriumi tuumad heeliumi tuuma sünteesimiseks piisavalt lähedale jõuda. Tähtede sisemuses on aga temperatuur ja rõhk nii kõrged, et tuumade energia läheneb nende sünteesi lävele (meie mõistes on tuumad peaaegu barjääri serval), mille tulemusena tunneli efekt, juhtub termotuumasünteesi- ja tähed säravad.
Lõpuks kasutatakse tunneliefekti juba praktikas elektronmikroskoobi tehnoloogias. Selle tööriista tegevus põhineb asjaolul, et sondi metallist ots läheneb uuritavale pinnale äärmiselt väikese vahemaa tagant. Sel juhul takistab potentsiaalbarjäär metalliaatomitest elektronide voolamist uuritavale pinnale. Sondi liigutamisel maksimumini lähedalt kaasa uuritavat pinda sorteerib ta selle aatomi haaval. Kui sond on aatomite vahetus läheduses, on barjäär madalam , kui siis, kui sond läbib nendevahelisi tühikuid. Seega, kui seade "kobab" aatomit, suureneb vool tunneliefekti tagajärjel suurenenud elektronide lekke tõttu ja aatomite vahelistes ruumides vool väheneb. See võimaldab üksikasjalikku uurimist aatomi struktuurid pinnad, neid sõna otseses mõttes "kaardistades". Muide, elektronmikroskoobid annavad lõpliku kinnituse aine struktuuri aatomiteooriale.
Tunneli efekt
Tunneliefekt
Tunneli efekt (tunneldamine) – osakese (või süsteemi) läbimine ruumipiirkonnast, kus viibimine on keelatud klassikaline mehaanika. Enamik kuulus näide selline protsess on osakese läbimine potentsiaalsest barjäärist, kui selle energia E on väiksem barjääri kõrgusest U 0 . Klassikalises füüsikas ei saa osake sellise barjääri piirkonda ilmuda, veel vähem sellest läbi pääseda, kuna see rikub energia jäävuse seadust. Kvantfüüsikas on aga olukord põhimõtteliselt erinev. Kvantosake ei liigu mingit kindlat trajektoori mööda. Seetõttu saame rääkida ainult osakese leidmise tõenäosusest teatud ruumipiirkonnas ΔрΔх > ћ. Sel juhul ei ole ei potentsiaalsel ega kineetilisel energial kindlaid väärtusi vastavalt määramatuse põhimõttele. Klassikalisest energiast E kõrvalekalle ΔE võrra on lubatud ajavahemike t jooksul, mis on antud määramatuse suhtega ΔEΔt > ћ (ћ = h/2π, kus h on Plancki konstant).
Võimalik, et osake läbib potentsiaalibarjääri, on tingitud pidevuse nõudest lainefunktsioon potentsiaalse barjääri seintel. Paremal ja vasakul oleva osakese tuvastamise tõenäosus on omavahel seotud seosega, mis sõltub erinevusest E - U(x) potentsiaalse barjääri piirkonnas ja barjääri laiusest x 1 - x 2 antud juures energiat.
Tõkke kõrguse ja laiuse kasvades väheneb tunneliefekti tõenäosus eksponentsiaalselt. Samuti väheneb tunneliefekti tõenäosus kiiresti osakeste massi suurenedes.
Läbi barjääri tungimine on tõenäosuslik. Osake koos E-ga< U 0 , натолкнувшись на барьер, может либо пройти сквозь него,
либо отразиться. Суммарная вероятность этих двух возможностей равна 1. Если
на барьер падает поток частиц с Е < U 0 , то часть этого
потока будет просачиваться сквозь барьер, а часть – отражаться. Туннельное
прохождение частицы через потенциальный барьер лежит в основе многих явлений
ядерной и aatomifüüsika: alfalagunemine, elektronide külmemissioon metallidest, nähtused kahe pooljuhi kontaktkihis jne.