TUNNELI EFEKT
TUNNELI EFEKT
(tunneldamine), potentsiaalse barjääri ületamine mikroosakesega juhul, kui see on lõppenud (jääb T.e. enamjaolt muutmata) vähem kõrgust barjäär. See tähendab, et nähtus on sisuliselt kvant. loodus, klassikalises võimatu. mehaanika; analoog T. e. lainetena optikat saab teenindada valguse tungimisega peegelduskeskkonda (valguse lainepikkuse suurusjärgu kaugusel) tingimustes, kus geom. optika toimub. T. e. mitmuse aluseks olulised protsessid sisse kell. ja nad ütlevad füüsikas, füüsikas kl. südamikud, televiisor kehad jne.
T. e. põhjal tõlgendada (vt KVANTMEHAANIKA). Klassikaline ch-tsa ei saa olla potentsiaali sees. barjääri kõrgus V, kui selle energia? impulss p - kujuteldav suurus (m - h-tsy). Mikroosakese puhul on see järeldus aga ebaõiglane: määramatuse seose tõttu on osake ruumis fikseeritud. tõkke sees olev ala muudab selle hoo ebakindlaks. Seetõttu on klassikalisest vaatepunktist keelatud mikroosakese tuvastamise tõenäosus osakese sees nullist erinev. mehaanika ala. Vastavalt sellele ilmub definitsioon. potentsiaali läbimise tõenäosus. barjäär, mis vastab T. e. See tõenäosus on suurem, mida väiksem on aine mass, seda kitsam on potentsiaal. barjääri ja seda vähem energiat jääb puudu tõkke kõrguse saavutamiseks (seda väiksem on vahe V-?). Tõkkest läbimise tõenäosus - Ch. füüsikalist määrav tegur omadused T. e. Ühemõõtmelise potentsiaali korral. barjääri selline tunnus on koefitsient. barjääri läbipaistvus, võrdne suhtega seda läbivate osakeste voolu tõkkele langevale voolule. Kolmemõõtmelise barjääri piiramise korral suletud ala pr-va madalamast. potentsiaal energia (potentsiaalikaev), st. mida iseloomustab tõenäosus w, et isik lahkub sellelt alalt ühikutes. aeg; w väärtus võrdub potentsiaalisiseste võnkumiste sageduse korrutisega. tõkke läbimise tõenäosuse kohta. Võimalus "lekkida" teest välja, mis oli algselt võimalik. auk, viib selleni, et vastavad h-ts omandavad lõpliku laiuse suurusjärgus ћw ja need muutuvad ise kvaasistatsionaarseks.
Näide manifestatsioonist T. e. sisse kell. füüsika võib teenindada aatomeid tugevas elektris. ja aatomi ioniseerimine tugevas elektromagnetväljas. lained. T. e. on radioaktiivsete tuumade alfalagunemise aluseks. Ilma T. e. oleks võimatu voolata termotuumareaktsioonid: Coulombi potentsiaal. sulandumiseks vajalike reaktiivtuumade konvergentsi takistav barjäär ületatakse osaliselt tänu selliste tuumade suurele kiirusele (kõrgele temperatuurile), osaliselt soojusenergiale. Eriti rohkelt on näiteid T. e. füüsika TV-s. kehad: väljaemissioon, nähtused kontaktkihis kahe PP piiril, Josephsoni efekt jne.
Füüsiline entsüklopeediline sõnaraamat. - M.: Nõukogude entsüklopeedia. . 1983 .
TUNNELI EFEKT
(tunneldamine) - süsteemid läbi klassikaga keelatud liikumisala mehaanika. Sellise protsessi tüüpiline näide on osakese läbimine potentsiaalne barjäär kui tema energiat
väiksem kui tõkke kõrgus. Osakeste impulss R antud juhul määratakse seose põhjal 
Kus U(x)- potentsiaal osakeste energia ( T - mass), oleks tõkke sees olevas piirkonnas kujuteldav suurus. IN kvantmehaanika tänu ebakindluse suhe impulsi ja koordinaadi vahel osutub alamtõke võimalikuks. Osakese lainefunktsioon selles piirkonnas laguneb eksponentsiaalselt ja kvaasiklassikalises osas juhtum (vt Poolklassikaline lähendus)selle amplituud tõkke alt väljumise kohas on väike.
Üks potentsiaali läbimise probleemide sõnastusi. barjäär vastab olukorrale, kui tõkkele langeb statsionaarne osakeste voog ja on vaja leida ülekantava voolu väärtus. Selliste probleemide korral võetakse kasutusele koefitsient. barjääri läbipaistvus (tunneli üleminekukoefitsient) D, võrdne ülekantavate ja langevate voogude intensiivsuse suhtega. Aja pöörduvusest järeldub, et koefitsient. läbipaistvus üleminekute jaoks "otseses" ja vastupidised suunad on samad. Ühemõõtmelisel juhul koefitsient. läbipaistvust saab kirjutada kui
integreerimine toimub klassikaliselt ligipääsmatus piirkonnas, X 1,2 - pöördepunktid määratud tingimusest Pöördepunktides klassikalises piiris. mehaanika, muutub osakese impulss nulliks. Coef. D 0 nõuab selle määratlust täpne lahendus kvantmehaaniline ülesandeid.
Kui kvaasiklassikalisuse tingimus on täidetud
kogu tõkke pikkuses, välja arvatud vahetu pöördepunktide naabruskonnad x 1,2 .
koefitsient D 0 erineb veidi ühest. Olendid erinevus D 0 ühtsusest võib olla näiteks juhtudel, kui potentsiaalikõver. energia ühelt barjääri küljelt läheb nii järsult, et kvaasiklassikaline ei ole seal rakendatav või kui energia on barjääri kõrgusele lähedal (st eksponendi avaldis on väike). Ristkülikukujulise tõkke kõrguse jaoks U o ja laius A koefitsient läbipaistvuse määrab fail
Kus 
Tõkke alus vastab null energiat. Kvaasiklassikaline juhtum Dühtsusega võrreldes väike.
Dr. Osakese barjääri läbimise probleemi sõnastus on järgmine. Laske osakesel alguses ajahetk on lähedases olekus nn. statsionaarne olek, mis juhtuks läbimatu tõkkega (näiteks kui tõke on eemale tõstetud potentsiaalne kaev kõrgusele, mis on suurem kui emiteeritud osakese energia). Seda seisundit nimetatakse kvaasistatsionaarne. Samamoodi statsionaarsed olekud osakese lainefunktsiooni sõltuvus ajast annab sel juhul kordaja 
Kompleksne suurus esineb siin energiana E, imaginaarne osa määrab kvaasistatsionaarse oleku lagunemise tõenäosuse ajaühikus T. e. tõttu:
Kvaasiklassikaline Lähenemisel sisaldab f-loy (3) antud tõenäosus eksponentsiaali. sama tüüpi tegur kui in-f-le (1). Sfääriliselt sümmeetrilise potentsiaali korral. barjäär on kvaasistatsionaarse oleku lagunemise tõenäosus orbiitidelt. kvantarv l määrab f-loy
Siin r 1,2 on radiaalsed pöördepunktid, mille integrand on võrdne nulliga. Faktor w 0 oleneb liikumise iseloomust näiteks potentsiaali klassikaliselt lubatud osas. ta on proportsionaalne. klassikaline osakeste võnkumiste sagedus barjääri seinte vahel.
T. e. võimaldab meil mõista raskete tuumade a-lagunemise mehhanismi. -osakese ja tütartuuma vahel on elektrostaatiline jõud. tõrjumine määratud f-loyga Suurusjärgu väikestel vahemaadel A tuumad on sellised, et eff. võib pidada negatiivseks: 
Selle tulemusena tõenäosus A-lagunemise annab seos
Siin on emiteeritud a-osakese energia.
T. e. määrab termotuumareaktsioonide võimalikkuse Päikesel ja tähtedel kümnete ja sadade miljonite kraadide temperatuuride juures (vt. Tähtede evolutsioon),
ja ka maapealsetes tingimustes kujul termotuumaplahvatused või UTS.
Sümmeetrilises potentsiaalis, mis koosneb kahest identsest kaevust, mis on eraldatud nõrgalt läbilaskva barjääriga, s.o. toob kaasa olekute interferentsi kaevudes, mis viib diskreetsete energiatasemete nõrga kahekordse lõhenemiseni (nn inversioonjagunemine; vt. Molekulaarspektrid). Lõpmatult perioodilise ruumi aukude komplekti korral muutub iga tasand energiate tsooniks. See on kitsaste elektronide energiate moodustumise mehhanism. tsoonid kristallides koos tugev ühendus võrekohtadega elektronid.
Kui pooljuhtkristallile rakendatakse elektrivoolu. välja, siis muutuvad lubatud elektronenergiate tsoonid ruumis kaldu. Seega postituse tase elektronenergia läbib kõiki tsoone. Nendes tingimustes muutub võimalikuks elektroni üleminek ühelt energiatasemelt. tsoonid teisele T. e. Klassikaliselt ligipääsmatu ala on keelatud energiate tsoon. Seda nähtust nimetatakse. Zeneri rike. Kvaasiklassikaline ligikaudne väärtus vastab siin väikesele elektriintensiivsuse väärtusele. väljad. Selles piiris määratakse Zeneri rikke tõenäosus põhimõtteliselt. eksponentsiaalne, lõikeindikaatoris on suur negatiivne. väärtus, mis on võrdeline keelatud energia laiuse suhtega. tsoon energiale, mille elektron saavutab rakendatud väljas ühikelemendi suurusega võrdsel kaugusel.
Sarnane efekt ilmneb tunneli dioodid, milles tsoonid on pooljuhtide tõttu kaldu R- Ja n-tüüp mõlemal pool nende kontakti piiri. Tunneldumine toimub seetõttu, et tsoonis, kuhu laengukandja läheb, on piiratud hulk hõivamata olekuid.
Tänu T. e. elektriline võimalik kahe õhukese dielektrikuga eraldatud metalli vahel. vahesein. Need võivad olla nii tavalises kui ka ülijuhtiv olek. IN viimasel juhul võib toimuda Josephsoni efekt.
T. e. Sellised tugevates elektrivooludes esinevad nähtused on tingitud. väljad, nagu aatomite autoionisatsioon (vt Välja ionisatsioon) Ja autoelektroonilised heitmed metallidest. Mõlemal juhul elektriline väli moodustab piiratud läbipaistvuse barjääri. Mida tugevam on elektriline välja, seda läbipaistvam on barjäär ja seda tugevam on metallist lähtuv elektronivool. Sellest põhimõttest lähtudes skaneeriv tunnelmikroskoop - seade, mis mõõdab tunneli voolu erinevad punktid uuritava pinna kohta ja annab teavet selle heterogeensuse olemuse kohta.
T. e. on võimalik mitte ainult ühest osakesest koosnevates kvantsüsteemides. Nii võib näiteks kristallide dislokatsioonide liikumist madalal temperatuuril seostada paljudest osakestest koosneva lõpuosa tunnelimisega. Seda tüüpi probleemide korral võib lineaarset dislokatsiooni kujutada elastse stringina, mis asub algselt piki telge juuresühes potentsiaali kohalikest miinimumidest V(x, y). See potentsiaal ei sõltu y, ja selle reljeef piki telge X on lokaalsete miinimumide jada, millest igaüks on teisest madalamal määral, mis sõltub kristallile rakendatavast mehaanilisest jõust. Pinge. Dislokatsiooni liikumine selle pinge mõjul taandatakse tunnelimiseni külgnevasse määratletud miinimumi. dislokatsiooni segment, millele järgneb selle ülejäänud osa tõmbamine sinna. Liikumise eest võib vastutada sama tüüpi tunnelimehhanism laengutiheduse lained Peierlsi dielektrikus (vt Peierlsi üleminek).
Selliste mitmemõõtmeliste kvantsüsteemide tunneliefektide arvutamiseks on mugav kasutada poolklassikalisi meetodeid. lainefunktsiooni esitus kujul 
Kus S- klassikaline süsteemid. T. e. mõtteline osa on märkimisväärne S, lainefunktsiooni sumbumise määramine klassikaliselt ligipääsmatus piirkonnas. Selle arvutamiseks kasutatakse keeruliste trajektooride meetodit.
Kvantosake, ületades potentsiaali. tõkke võib ühendada termostaadiga. Klassikaliselt Mehaaniliselt vastab see hõõrdumisega liikumisele. Seega on tunneldamise kirjeldamiseks vaja kasutada teooriat nn dissipatiivne kvantmehaanika. Sedalaadi kaalutlusi tuleb kasutada Josephsoni kontaktide hetkeseisude piiratud eluea selgitamiseks. Sel juhul toimub tunnelistumine. kvantosake läbi barjääri ja termostaadi rolli täidavad elektronid.
Lit.: Landau L. D., Lifshits E. M., Quantum, 4. väljaanne, M., 1989; Ziman J., Tahkisteooria põhimõtted, tlk. inglise keelest, 2. väljaanne, M., 1974; Baz A. I., Zeldovich Ya B., Perelomov A. M., Hajumine, reaktsioonid ja lagunemised mitterelativistlikus kvantmehaanikas, 2. väljaanne, M., 1971; Tunneli nähtused sisse tahked ained ah, rada inglise keelest, M., 1973; Likharev K.K., Sissejuhatus Josephsoni ristmike dünaamikasse, M., 1985. B. I. Ivlev.
Füüsiline entsüklopeedia. 5 köites. - M.: Nõukogude entsüklopeedia. Peatoimetaja A. M. Prohhorov. 1988 .
Vaadake, mis on "TUNNELI EFEKT" teistes sõnaraamatutes:
Kaasaegne entsüklopeedia
Mikroosakese, mille energia on väiksem kui barjääri kõrgus, läbimine potentsiaalse barjääri kaudu; kvantefekt, mis on selgelt seletatav osakese momentide (ja energiate) hajumisega barjääripiirkonnas (vt määramatuse põhimõte). Tunneli tagajärjel...... Suur entsüklopeediline sõnaraamat
Tunneli efekt- TUNNELI MÕJU, mikroosakese, mille energia on väiksem barjääri kõrgusest, läbimine potentsiaalse barjääri kaudu; kvantefekt, mis on selgelt seletatav osakese momentide (ja energiate) hajumisega barjääripiirkonnas (põhimõtte ebakindluse tõttu) ... Illustreeritud entsüklopeediline sõnaraamat
tunneli efekt- - [Ja.N.Luginski, M.S.Fezi Žilinskaja, Ju.S.Kabirov. Inglise-vene elektrotehnika ja energeetika sõnastik, Moskva, 1999] Elektrotehnika teemad, põhimõisted EN tunneliefekt ... Tehniline tõlkija juhend
TUNNELI EFEKT- (tunneldamine) kvantmehaaniline nähtus, mis seisneb potentsiaalse potentsiaali (vt) ületamises mikroosakese poolt, kui selle koguenergia on väiksem kui barjääri kõrgus. T. e. on põhjustatud mikroosakeste laineomadustest ja mõjutab termotuuma voolu... ... Suur polütehniline entsüklopeedia
Kvantmehaanika ... Wikipedia
Mikroosakese, mille energia on väiksem kui barjääri kõrgus, läbimine potentsiaalse barjääri kaudu; kvantefekt, mis on selgelt seletatav osakese momentide (ja energiate) levimisega barjääripiirkonnas (vt määramatuse põhimõte). Tunneli tagajärjel...... entsüklopeediline sõnaraamat
1.7. Tunneliefekti kontseptsioon.
Tunneliefekt on osakeste läbimine potentsiaalsest barjäärist, mis on tingitud 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 barjäärist ja hakkab liikuma vastupidises suunas;
Kvantmehaanika võtab arvesse osakeste laineomadusi. Laine jaoks on barjääri vasak sein kahe meediumi piir, mille juures laine jaguneb kaheks laineks - peegeldunud ja murdunud 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 potentsiaalne energia võib pidada konstantseks. Metalli piirile ilmub potentsiaalne sein, mis ei lase elektronil metallist lahkuda, seda saab 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 loomiseks (need on nüüdseks kasutusest väljas); 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 paisub või tõmbub kokku, kui sellele rakendatakse elektrilist pinget. 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. Tunneliefekt 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.
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 rada pidi. 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 – 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.
> Kvanttunneldamine
Uurige kvant tunneli efekt . Uurige, millistel tingimustel tekib tunnelnägemise efekt, Schrödingeri valem, tõenäosusteooria, aatomiorbitaalid.
Kui objektil ei ole tõkkest läbi murdmiseks piisavalt energiat, suudab ta tunneldada läbi kujuteldava ruumi teisel pool.
Õppeeesmärk
- Tehke kindlaks tunneldamise tõenäosust mõjutavad tegurid.
Põhipunktid
- Kvanttunnelit kasutatakse mis tahes tõkke ees olevate objektide jaoks. Kuid makroskoopilistel eesmärkidel on esinemise tõenäosus väike.
- Tunneliefekt tuleneb Schrödingeri imaginaarsest komponendi valemist. Kuna see esineb mis tahes objekti lainefunktsioonis, võib see eksisteerida kujuteldavas ruumis.
- Tunneldumine väheneb, kui kehamass suureneb ning lõhe objekti ja barjääri energiate vahel suureneb.
Tähtaeg
- Tunneldamine on osakese kvantmehaaniline läbimine läbi energiabarjääri.
Kuidas tunneliefekt tekib? Kujutage ette, et viskate palli, kuid see kaob hetkega, ilma seina puudutamata, ja ilmub teisele poole. Siinne sein jääb terveks. Üllataval kombel on selle sündmuse realiseerumise tõenäosus piiratud. Nähtust nimetatakse kvanttunneliefektiks.
Makroskoopilisel tasemel on tunnelistumise võimalus tühine, kuid seda täheldatakse pidevalt nanoskaalal. Vaatame p-orbitaaliga aatomit. Kahe laba vahel on sõlmetasand. On võimalus, et elektroni võib leida mis tahes punktist. Elektronid liiguvad aga ühest lobust teise kvanttunnelimise teel. Nad lihtsalt ei saa olla sõlmpunkti piirkonnas ja rändavad läbi kujuteldava ruumi.
Punased ja sinised labad näitavad ruumalasid, kus on 90% tõenäosusega leida elektron igal ajaintervallil, kui orbitaaltsoon on hõivatud
Ajaline ruum ei tundu olevat tõeline, kuid see osaleb aktiivselt Schrödingeri valemis:
Kogu ainel on lainekomponent ja see võib eksisteerida kujuteldavas ruumis. Objekti massi, energia ja energia kõrguse kombinatsioon aitab mõista tunneldamise tõenäosuse erinevust.
Kui objekt läheneb barjäärile, muutub lainefunktsioon siinuslainest eksponentsiaalselt kahanevaks. Schrödingeri valem:
Tunneldamise tõenäosus väheneb, kui objekti mass suureneb ja energiate vahe suureneb. Lainefunktsioon ei lähene kunagi nullile, mistõttu on tunneldamine nanomõõtmetes nii tavaline.
(FÜÜSIKA ploki ja ka teiste plokkide ülesannete lahendamine võimaldab valida täistöövooru KOLM inimest, kes saavutasid SELLE ploki ülesannete lahendamisel skoori suurim arv punktid. Lisaks võistlevad need kandidaadid vastastikuse vooru tulemuste põhjal erikandidaadi nimel. Nanosüsteemide füüsika" Täiskoha vooru valitakse ka veel 5 kõrgeima punktisumma saanud inimest. absoluutne arv punkte, nii et pärast oma eriala ülesannete lahendamist on täielik tähendus probleeme lahendada teistest plokkidest. )
Üks peamisi erinevusi nanostruktuuride ja makroskoopiliste kehade vahel on sõltuvus nende keemilisest ja füüsikalised omadused suurusest. Selge näide See saavutatakse tunneliefektiga, mis seisneb valgusosakeste (elektronid, prootonid) tungimises piirkondadesse, mis on neile energeetiliselt kättesaamatud. See efekt mängib oluline roll sellistes protsessides nagu laengu ülekanne elusorganismide fotosünteesiseadmetes (väärib märkimist, et bioloogilised reaktsioonikeskused kuuluvad kõige tõhusamate nanostruktuuride hulka).
Tunneliefekti saab seletada valgusosakeste lainelise olemuse ja määramatuse põhimõttega. Tulenevalt asjaolust, et väikestel osakestel ei ole ruumis kindlat asendit, puudub nende jaoks trajektoori mõiste. Järelikult ei pea osake ühest punktist teise liikumiseks läbima neid ühendavat joont ja võib seega energiaga keelatud piirkondadest "mööda minna". Elektroni täpse koordinaadi puudumise tõttu kirjeldatakse selle olekut lainefunktsiooni abil, mis iseloomustab tõenäosusjaotust piki koordinaati. Pilt näitab tüüpiline välimus lainefunktsioon energiabarjääri all tunneldamisel.
Tõenäosus lk elektroni tungimine läbi potentsiaalse barjääri sõltub kõrgusest U ja viimase laius l ( Vormel 1, vasakul), Kus m- elektroni mass, E– elektroni energia, h – Plancki konstant koos vardaga.
1. Määrake tõenäosus, et elektron tunnelib 0,1 nm kaugusele, kui energia erinevusU –E = 1 eV ( 2 punkti). Arvutage energia erinevus (eV ja kJ/mol), mille juures elektron suudab tunneldada 1 nm kaugusele tõenäosusega 1% ( 2 punkti).
Tunneliefekti üks märgatavamaid tagajärgi on kiiruskonstandi ebatavaline sõltuvus keemiline reaktsioon temperatuuril. Temperatuuri langedes ei kaldu kiiruskonstant mitte 0-ni (nagu võib eeldada Arrheniuse võrrandist), vaid püsiv väärtus, mille määrab tuumatunneldamise tõenäosus p( f valem 2, vasakul), kus A- preeksponentsiaalne tegur, E A – aktiveerimisenergia. Seda saab seletada sellega, et millal kõrged temperatuurid Reaktsiooni sisenevad ainult need osakesed, mille energia on barjäärienergiast suurem, ja millal madalad temperatuurid reaktsioon toimub ainult tunneliefekti tõttu.
2. Määrake alltoodud katseandmete põhjal aktiveerimisenergia ja tunneli tekkimise tõenäosus ( 3 punkti).
|
k(T), c – 1 |
|
Kaasaegses kvantis elektroonilised seadmed Kasutatakse resonantstunneli efekti. See efekt ilmneb siis, kui elektron puutub kokku kahe tõkkega, mida eraldab potentsiaalikaev. Kui elektroni energia langeb kokku ühe kaevu energiatasemega (see on resonantstingimus), siis üldine tõenäosus Tunneldamine määratakse kahe õhukese barjääri läbimisega, kuid kui mitte, siis tekib elektroni teele lai barjäär, mis sisaldab potentsiaalikaevu ja tunneldamise üldine tõenäosus kipub olema 0.
3. Võrrelge resonants- ja mitteresonantse elektrontunneldamise tõenäosusi järgmiste parameetrite puhul: iga barjääri laius on 0,5 nm, barjääride vahelise kaevu laius on 2 nm, kõigi tõkete kõrgus võimalikud tõkked elektroni energia suhtes on 0,5 eV ( 3 punkti). Millised seadmed kasutavad tunneldamise põhimõtet ( 3 punkti)?