ЕФЕКТ НА ТУНЕЛ, квантен ефект кој се состои во пенетрација на квантна честичка низ простор од просторот, во кој, според законите на класичната физика, пронаоѓањето на честичка е забрането. Класичен
честичка со вкупна енергија Е и во потенцијал. полето може да престојува само во оние региони на просторот во кои неговата вкупна енергија не го надминува потенцијалот. енергија U на интеракција со полето. Бидејќи брановата функција на квантната честичка е ненула низ просторот и веројатноста да се најде честичка во одреден регион од просторот е дадена со квадратот на модулот на брановата функција, тогаш во забрането (од гледна точка на класичната механика ) региони брановата функција е ненула. Т Удобно е да се илустрира ефектот на тунелот користејќи модел проблем на еднодимензионална честичка во потенцијално поле U(x) (x е координатата на честичката). Во случај на симетричен потенцијал на двоен бунар (сл. а), брановата функција мора да „се вклопи“ во бунарите, т.е.стоечки бран . Дискретни извори на енергија нивоа кои се наоѓаат под бариерата што ги одвојува минимумите на потенцијалните формираат тесно распоредени (речиси дегенерирани) нивоа. Разлика во енергијата нивоа, компоненти, наречени. разделување тунел, оваа разлика се должи на фактот што точното решение на проблемот (бранова функција) за секој од случаите е локализирано и во минимум на потенцијалот и во ситеточни решенија
одговараат на не-дегенерирани нивоа (види). Веројатноста за ефектот на тунелот се одредува со коефициентот на пренос на бран пакет низ бариерата, кој ја опишува нестационарната состојба на честичка локализирана во еден од потенцијалните минимуми. Потенцијални кривини енергија U (x) на честичка во случај кога на неа делува привлечна сила (а - два потенцијални бунари, b - еден потенцијален бунар), и во случај кога одбивна сила делува на честичката (одбивен потенцијал, в). Е- вкупна енергија
Во потенцијал поле со еден локален минимум (сл. б) за честичка со енергија E поголема од потенцијалот на интеракција при c =, дискретна енергија. нема состојби, туку има збир на квази-стационарни состојби, во кои се однесува големото. веројатноста да се најде честичка во близина на минимумот.
Брановите пакети што одговараат на таквите квази-стационарни состојби ги опишуваат метастабилните; брановите пакети се шират и исчезнуваат поради ефектот на тунелот. Овие состојби се карактеризираат со нивниот животен век (веројатност за распаѓање) и енергетската ширина. ниво. За честичка во одбивен потенцијал (сл. в), бран пакет кој опишува нестационарна состојба на едната страна од потенцијалот. бариера, дури и ако енергијата на честичката во оваа состојбапомала висина
бариера, може со одредена веројатност (наречена веројатност за пенетрација или веројатност за тунелирање) да помине низ другата страна на бариерата. Наиб. важни за манифестацијата на ефектот на тунелот: 1) тунелско расцепување на дискретни осцилации, ротација. и електронско-ко-лебат.нивоа. Разделување на осцилациите. нивоа во неколку еквивалентна рамнотежа нуклеарна конфигурација е инверзија удвојување (во тип), поделба на нивоа во со инхибирана внатрешна. ротација ( , ) или во , за што интра-мол. преуредувања што доведуваат до еквивалентни конфигурации на рамнотежа (на пр. PF 5).
Ако е различно еквивалентни минимуми не се одделени со потенцијал. бариери (на пример, рамнотежни конфигурации за десничарски и левораки комплекси), потоа адекватен опис на вистински столбови. системи се постигнува со користење на локализирани бранови пакети. Во овој случај, случајот е калибриран во два минимум стационарни состојбинестабилно: под влијание на многу мали пертурбации, можно е формирање на две состојби локализирани во еден или друг минимум.
2) Појави на пренос на честички и елементарни возбудувања. Овој сет на феномени вклучува нестационарни процеси кои опишуваат транзиции помеѓу дискретни состојби и распаѓање на квази-стационарни состојби. Транзиции помеѓу дискретни состојби со бранови функции локализирани во различни состојби. минимум од еден адијабатски. потенцијал, одговараат на различни хемикалии. р-ции. Ефектот на тунелот секогаш дава одреден придонес за брзината на движење, но овој придонес е значаен само кога низок т-рах, кога е малку веројатна транзицијата со прекумерна бариера од почетната кон крајната состојба поради малата популација на соодветните енергетски нивоа. Ефектот на тунелот се манифестира во не-арениусното однесување на брзината на р-ција; типичен пример- раст на синџирот за време на цврсто иницирано со зрачење. Брзината на овој процес на температура е прибл. 140 К е задоволително опишан со законот Арениус со
- Превод
Ќе почнам со два едноставни прашањасо прилично интуитивни одговори. Ајде да земеме сад и топка (сл. 1). Ако треба:
Топката остана неподвижна откако ја ставив во садот, и
остана во приближно иста положба при движење на садот,
Па каде да го ставам?
Ориз. 1
Се разбира, треба да го ставам во центарот, на самото дно. Зошто? Интуитивно, ако го ставам на друго место, ќе се тркала до дното и ќе падне напред-назад. Како резултат на тоа, триењето ќе ја намали висината на висењето и ќе го забави долу.
Во принцип, можете да се обидете да ја балансирате топката на работ на садот. Но, ако го истресам малку, топката ќе изгуби рамнотежа и ќе падне. Значи ова место не го исполнува вториот критериум во моето прашање.
Да ја наречеме позицијата во која топката останува неподвижна и од која не отстапува многу со мали движења на садот или топката, „стабилна положба на топката“. Дното на садот е толку стабилна положба.
Друго прашање. Ако имам два чинии како на сл. 2, каде ќе бидат стабилните позиции за топката? Ова е исто така едноставно: има две такви места, имено, на дното на секоја од чиниите.
Ориз. 2
Конечно, уште едно прашање со интуитивен одговор. Ако поставам топка на дното на садот 1, а потоа ја напуштам просторијата, ја затворам, осигурам никој да не влезе таму, проверам дали на ова место немало земјотреси или други потреси, тогаш какви се шансите дека во десет години кога јас Ако повторно ја отворам собата, ќе најдам топка на дното на садот 2? Се разбира, нула. За да може топката да се движи од дното на садот 1 до дното на садот 2, некој или нешто мора да ја земе топката и да ја движи од место до место, преку работ на садот 1, кон садот 2, а потоа преку работ. од садот 2. Очигледно, топката ќе остане на дното на садот 1.
Очигледно и суштински точно. А сепак, во квантен свет, во кој живееме, ниту еден предмет не останува вистински неподвижен, а неговата положба е прецизно непозната. Значи, ниту еден од овие одговори не е 100% точен.
Тунелирање
Ориз. 3
Ако поставам елементарна честичка како електрон во магнетна стапица (сл. 3) која работи како сад, со тенденција да го турка електронот кон центарот на ист начин како што гравитацијата и ѕидовите на садот ја туркаат топката кон центарот на садот на сл. 1, тогаш каква ќе биде стабилната положба на електронот? Како што некој интуитивно би очекувал, просечната положба на електронот ќе биде стационарна само ако е поставен во центарот на стапицата.
Но, квантната механика додава една нијанса. Електронот не може да остане неподвижен; неговата позиција е предмет на „квантно нервоза“. Поради ова, неговата позиција и движење постојано се менуваат, па дури и имаат одредена доза на несигурност (ова е познатиот „принцип на несигурност“). Само просечната положба на електронот е во центарот на стапицата; ако го погледнете електронот, тој ќе биде некаде на друго место во стапицата, блиску до центарот, но не сосема таму. Електронот е неподвижен само во оваа смисла: тој обично се движи, но неговото движење е случајно, а бидејќи е заробен, во просек не се движи никаде.
Ова е малку чудно, но само го одразува фактот дека електронот не е онаков каков што мислите дека е и не се однесува како кој било предмет што сте го виделе.
Ова, патем, исто така осигурува дека електронот не може да се балансира на работ на стапицата, за разлика од топката на работ на садот (како подолу на слика 1). Положбата на електронот не е прецизно дефинирана, па затоа не може прецизно да се избалансира; затоа, дури и без тресење на стапицата, електронот ќе ја изгуби својата рамнотежа и ќе падне речиси веднаш.
Но, она што е почудно е случајот кога ќе имам две стапици одделени една од друга, а во едната ќе ставам електрон. Да, центарот на една од стапиците е добра, стабилна позиција за електронот. Ова е точно во смисла дека електронот може да остане таму и нема да избега ако стапицата се разниша.
Меѓутоа, ако ставам електрон во стапицата бр. 1 и заминам, ја затворам просторијата итн., постои одредена веројатност (сл. 4) кога ќе го вратам електронот да биде во стапицата бр. 2.
Ориз. 4
Како го направи тоа? Ако ги замислите електроните како топчиња, нема да го разберете ова. Но, електроните не се како џамлиите (или барем не како вашата интуитивна идеја за џамлиите), а нивното квантно треперење им дава екстремно мала, но не-нула шанса да „прошетаат низ ѕидови“ - навидум невозможната можност да се преселат во другата страна. Ова се нарекува тунелирање - но немојте да мислите на електронот како копање дупка во ѕидот. И никогаш нема да можеш да го фатиш во ѕидот - со црвена рака, така да се каже. Само што ѕидот не е целосно непробоен за работи како електрони; електроните не можат така лесно да се заробат.
Всушност, тоа е уште полудо: бидејќи тоа е точно за електрон, исто така важи и за топка во вазна. Топката може да заврши во вазна 2 ако чекате доволно долго. Но, веројатноста за ова е исклучително мала. Толку мало што дури и да чекате милијарда години, па дури и милијарди милијарди милијарди години, нема да биде доволно. Од практична гледна точка, ова „никогаш“ нема да се случи.
Нашиот свет е квантен, а сите предмети се состојат од елементарни честичкии ги почитуваат правилата на квантната физика. Квантниот нервоза е секогаш присутен. Но повеќетообјекти чија маса е голема во споредба со масата на елементарните честички - топка, на пример, или дури и дамка прашина - овој квантен треперење е премногу мал за да се открие, освен во специјално дизајнирани експерименти. И добиената можност за тунелирање низ ѕидовите исто така не е забележана во обичниот живот.
Со други зборови: секој предмет може да тунелира низ ѕид, но веројатноста за тоа обично нагло се намалува ако:
Кај објектот голема маса,
ѕидот е дебел (големо растојание помеѓу две страни),
ѕидот е тешко да се надмине (потребно е многу енергија за да се пробие ѕид).
Во принцип, топката може да помине преку работ на садот, но во пракса тоа можеби не е можно. Може да биде лесно за електрон да избега од стапица ако стапиците се блиски и не многу длабоки, но може да биде многу тешко ако се далеку и многу длабоки.
Дали тунелирањето навистина се случува?
Ориз. 5
Или можеби ова тунелирање е само теорија? Дефинитивно не. Тој е фундаментален за хемијата, се јавува во многу материјали, игра улога во биологијата и е принцип што се користи во нашите најсофистицирани и најмоќни микроскопи.
Заради краткост, дозволете ми да се фокусирам на микроскопот. На сл. Слика 5 покажува слика на атомите направени со помош на микроскоп за скенирање на тунели. Овој микроскоп има тесна игла чиј врв се движи внатре непосредна близинана материјалот што се проучува (види Сл. 6). Материјалот и иглата, се разбира, се направени од атоми; а на задната страна на атомите се електрони. Грубо кажано, електроните се заробени во материјалот што се проучува или на врвот на микроскопот. Но, колку е поблиску врвот до површината, толку е поголема веројатноста за тунелирање на транзицијата на електроните меѓу нив. Едноставен уред (се одржува потенцијална разлика помеѓу материјалот и иглата) осигурува дека електроните претпочитаат да скокаат од површината до иглата, а овој проток е електрична струја, мерливи. Иглата се движи над површината, а површината се појавува поблиску или подалеку од врвот, а струјата се менува - станува посилна како што растојанието се намалува и послаба како што се зголемува. Со следење на струјата (или, обратно, поместување на иглата нагоре и надолу за одржување DC) при скенирање на површина, микроскопот донесува заклучок за обликот на оваа површина, а често деталите се доволни за да се издвојат поединечни атоми.
Ориз. 6
Тунелирањето игра многу други улоги во природата и модерни технологии.
Тунелирање помеѓу стапици со различни длабочини
На сл. 4 Мислев дека двете стапици имаат иста длабочина - исто како и двете чинии на сл. 2 иста форма. Ова значи дека електронот, кој се наоѓа во која било од замките, е подеднакво веројатно да скокне на другиот.Сега да претпоставиме дека една електронска стапица на Сл. 4 подлабоко од другиот - потполно исто како еден сад на сл. 2 беше подлабок од другиот (види Сл. 7). Иако електронот може да тунелира во која било насока, ќе му биде многу полесно да тунелира од поплитка до подлабока стапица отколку обратно. Според тоа, ако чекаме доволно долго електронот да има доволно време да тунелира во која било насока и да се врати, а потоа почнеме да правиме мерења за да ја одредиме неговата локација, најчесто ќе го најдеме длабоко заробен. (Всушност, и овде има некои нијанси; сè зависи и од обликот на стапицата). Освен тоа, разликата во длабочината не мора да биде голема за тунелирањето од подлабока до поплитка стапица да стане исклучително ретко.
Накратко, тунелирањето генерално ќе се случи во двете насоки, но веројатноста да се оди од плитка во длабока замка е многу поголема.
Ориз. 7
Токму оваа карактеристика ја користи микроскопот за скенирање тунели за да се осигура дека електроните патуваат само во една насока. Во суштина, врвот на иглата на микроскопот е заробен подлабоко од површината што се проучува, така што електроните претпочитаат да тунелираат од површината до иглата наместо обратно. Но, микроскопот ќе работи во спротивен случај. Стапиците се прават подлабоки или поплитки со користење на извор на енергија што создава потенцијална разлика помеѓу врвот и површината, што создава разлика во енергијата помеѓу електроните на врвот и електроните на површината. Бидејќи е прилично лесно да се прават електрони да тунелираат почесто во една насока од друга, ова тунелирање станува практично корисно за употреба во електрониката.
1.7. Концептот на ефектот на тунелот.
Ефектот на тунелот е поминување на честички низ потенцијална бариерапоради својства на брановичестички.
Нека честичка што се движи од лево кон десно наиде на потенцијална висинска бариера У 0 и ширина л. Според класичните концепти, честичката поминува непречено преку бариерата ако нејзината енергија Епоголема од висината на бариерата ( Е> У 0 ). Ако енергијата на честичките е помала од висината на бариерата ( Е< У 0 ), тогаш честичката се рефлектира од бариерата и почнува да се движи во спротивна насока, честичката не може да навлезе низ бариерата.
Квантната механика ги зема предвид брановите својства на честичките. За бран, левиот ѕид на бариерата е граница на два медиума, на кои бранот е поделен на два бранови - рефлектирани и прекршени Затоа, дури и со Е> У 0 можно е (иако со мала веројатност) некоја честичка да се рефлектира од бариерата, и кога Е< У 0 постои ненулта веројатност дека честичката ќе биде од другата страна на потенцијалната бариера. Во овој случај, се чинеше дека честичката „поминува низ тунел“.
Ајде да одлучиме проблемот на честичка што минува низ потенцијална бариераза наједноставниот случај на еднодимензионална правоаголна бариера, прикажана на сл. 1.6. Обликот на бариерата се одредува со функцијата
. (1.7.1)
Дозволете ни да ја напишеме равенката на Шредингер за секоја од регионите: 1( x<0 ), 2(0< x< л) и 3 ( x> л):
;
(1.7.2)
; (1.7.3)
. (1.7.4)
Да означиме
(1.7.5)
. (1.7.6)
Општите решенија на равенките (1), (2), (3) за секоја од областите имаат форма:
Решение на формата 
одговара на бран кој се шири во насока на оската x, А 
- бран кој се шири во спротивна насока. Во регион 1 мандат 
опишува инцидент на бран на бариера и терминот 
- бран што се рефлектира од бариерата. Во регионот 3 (десно од бариерата) има само бран кој се шири во насока x, така што 
.
Брановата функција мора да го задоволува условот за континуитет, затоа решенијата (6), (7), (8) на границите на потенцијалната бариера мора да бидат „зашиени“. За да го направите ова, ги изедначуваме брановите функции и нивните деривати на x=0 И x = л:
;
;
;
. (1.7.10)
Користејќи (1.7.7) - (1.7.10), добиваме четириравенки за одредување петкоефициенти А 1 , А 2 , А 3 ,ВО 1 И ВО 2 :
А 1 + Б 1 =А 2 + Б 2 ;
А 2 дxp( л) + Б 2 дxp(- л)= А 3 дxp(икл) ;
ик(А 1 - ВО 1 ) = (А 2 -ВО 2 ) ; (1.7.11)
(А 2 дxp( л)-ВО 2 дxp(- л) = икА 3 дxp(икл) .
За да ја добиеме петтата релација, ги воведуваме концептите на коефициенти на рефлексија и транспарентност на бариерата.
Коефициент на рефлексијаајде да ја наречеме врската
, (1.7.12)
кој дефинира веројатностодраз на честичка од бариера.
Фактор на транспарентност
(1.7.13)
дава веројатност дека честичката ќе поминениз бариерата. Бидејќи честичката или ќе се рефлектира или ќе помине низ бариерата, збирот на овие веројатности е еднаков на една. Потоа
Р+ Д =1; (1.7.14)
. (1.7.15)
Ова е тоа петтиоднос кој го затвора системот (1.7.11), од кој сите петкоефициенти
Од најголем интерес е коефициент на транспарентностД. По трансформациите добиваме
,
(7.1.16)
Каде Д 0 – вредност блиска до единството.
Од (1.7.16) е јасно дека транспарентноста на бариерата силно зависи од нејзината ширина л, за тоа колку е висока бариерата У 0 ја надминува енергијата на честичките Е, а исто така и на масата на честичката м.
СО 
од класична гледна точка, минување на честичка низ потенцијална бариера кај Е<
У 0
е во спротивност со законот за зачувување на енергијата. Факт е дека кога класичната честичка би била во одреден момент во пределот на бариерата (регион 2 на слика 1.7), тогаш нејзината вкупна енергија би била помала од потенцијалната енергија (а кинетичката енергија би била негативна!?). СО квантна точканема таква противречност. Ако честичката се движи кон бариера, тогаш пред да се судри со неа има многу специфична енергија. Нека интеракцијата со бариерата трае некое време
т, тогаш, според односот на несигурност, енергијата на честичката повеќе нема да биде дефинитивна; енергетска неизвесност 
. Кога ќе се покаже дека оваа несигурност е по редот на висината на бариерата, таа престанува да биде непремостлива пречка за честичката и честичката ќе помине низ неа.
Транспарентноста на бариерата нагло се намалува со нејзината ширина (види Табела 1.1.). Затоа, честичките можат да поминат само низ многу тесни потенцијални бариери поради механизмот за тунелирање.
Табела 1.1
Вредности на коефициентот на транспарентност за електрон на ( У 0 – Е ) = 5 eV = конст
|
л, nm | |||||
Разгледавме правоаголна бариера. Во случај на потенцијална бариера со произволна форма, на пример, како што е прикажано на сл. 1.7, коефициентот на транспарентност има форма
. (1.7.17)
Ефектот на тунелот се манифестира во голем број физички феномени и има важна практична примена. Да дадеме неколку примери.
1. Теренски електрони (ладна) емисија на електрони.
ВО 
Во 1922 година, беше откриен феноменот на емисија на ладни електрони од метали под влијание на силно надворешно електрично поле. График на потенцијална енергија Уелектрон од координати xприкажано на сл. На x
<
0 е областа на металот во која електроните можат да се движат речиси слободно. Овде потенцијалната енергија може да се смета за константна. Потенцијален ѕид се појавува на металната граница, спречувајќи го електронот да го напушти металот, тој може да го направи тоа само со стекнување дополнителна енергија; еднакво на работаизлез А.
Надвор од металот (на x >
0) енергијата на слободните електрони не се менува, па кога x> 0 графикот У(x)
оди хоризонтално. Ајде сега да создадеме силно електрично поле во близина на металот. За да го направите ова, земете метален примерок во облик на остра игла и поврзете го со негативниот пол на изворот. Ориз. 1.9 Принцип на работа на тунелен микроскоп
ка напон, (тоа ќе биде катодата); Во близина ќе поставиме уште една електрода (анода), на која ќе го поврземе позитивниот пол на изворот. Ако потенцијалната разлика помеѓу анодата и катодата е доволно голема, можно е да се создаде електрично поле со јачина од околу 10 8 V/m во близина на катодата. Потенцијалната бариера на интерфејсот метал-вакуум станува тесна, електроните протекуваат низ неа и го напуштаат металот.
Емисијата на теренот беше искористена за создавање на вакуумски цевки со ладни катоди (тие сега практично не се користат); тунелни микроскопи,измислен во 1985 година од J. Binning, G. Rohrer и E. Ruska.
Во тунелен микроскоп, сонда - тенка игла - се движи по површината што се проучува. Иглата ја скенира површината што се проучува, толку блиску до неа што електроните од електронските обвивки (електронски облаци) на површинските атоми, поради брановите својства, можат да стигнат до иглата. За да го направите ова, ние применуваме „плус“ од изворот до иглата и „минус“ на примерокот што се испитува. Струјата на тунелот е пропорционална на коефициентот на проѕирност на потенцијалната бариера помеѓу иглата и површината, што, според формулата (1.7.16), зависи од ширината на бариерата л. При скенирање на површината на примерокот со игла, струјата на тунелирање варира во зависност од растојанието л, повторувајќи го површинскиот профил. Прецизните движења на иглата на кратки растојанија се вршат со помош на пиезоелектричен ефект, иглата е фиксирана на кварцна плоча, која се шири или се собира кога на неа се применува електричен напон. Современите технологии овозможуваат да се произведе игла толку тенка што на крајот има само еден атом.
И 
сликата се формира на екранот на компјутерот. Дозвола тунелен микроскоптолку високо што ви овозможува да го „видите“ распоредот на поединечните атоми. Слика 1.10 покажува пример слика на атомската површина на силициумот.
2. Алфа радиоактивност ( – распаѓање). Во овој феномен се случува спонтана трансформација на радиоактивни јадра, како резултат на што едното јадро (се нарекува мајчино јадро) испушта честичка и се претвора во ново (ќерка) јадро со полнење помало од 2 единици. Да потсетиме дека честичката (јадрото на атом на хелиум) се состои од два протони и два неутрони.
Е 
Ако претпоставиме дека α-честичката постои како единствена формација во јадрото, тогаш графикот на зависноста на нејзината потенцијална енергија од координатата во полето на радиоактивното јадро ја има формата прикажана на сл. 1.11. Таа е одредена од енергијата на силната (нуклеарна) интеракција, предизвикана од привлекувањето на нуклеоните еден кон друг, и енергијата на Кулоновата интеракција (електростатско одбивање на протоните).
Како резултат на тоа, е честичка во јадрото со енергија Е се наоѓа зад потенцијалната бариера. Поради своите бранови својства, постои одредена веројатност дека честичката ќе заврши надвор од јадрото.
3. Тунел ефект востр- n- транзицијасе користи во две класи на полупроводнички уреди: тунелИ обратни диоди. Карактеристика на тунелските диоди е присуството на паѓачки дел на директната гранка на карактеристиката на струја-напон - дел со негативен диференцијален отпор. Најинтересно кај диодите за обратна насока е тоа што кога се поврзани обратно, отпорот е помал отколку кога се поврзани обратно. За повеќе информации за тунелските и обратните диоди, видете го делот 5.6.
Постои можност квантната честичка да навлезе во бариера која е непремостлива за класичната елементарна честичка.
Замислете топка како се тркала во сферична дупка ископана во земјата. Во секој момент од времето, енергијата на топката се распределува помеѓу нејзината кинетичка енергија и потенцијалната енергија на гравитацијата во пропорција во зависност од тоа колку е висока топката во однос на дното на дупката (според првиот закон за термодинамика). . Кога топката ќе стигне до страната на дупката, можни се две сценарија. Ако неговата вкупна енергија ја надминува нејзината потенцијална енергија гравитациско поле, одредена од висината на локацијата на топката, таа ќе скокне од дупката. Ако вкупната енергија на топката е помала од потенцијалната енергија на гравитацијата на ниво на страната на дупката, топката ќе се тркала надолу, назад во дупката, кон спротивната страна; во моментот кога потенцијална енергијаќе биде еднаква на вкупната енергија на топката, таа ќе застане и ќе се врати назад. Во вториот случај, топката никогаш нема да се тркала од дупката освен ако не и се даде дополнителна кинетичка енергија - на пример, со туркање. Според Њутновите закони за механика , топката никогаш нема да ја напушти дупката без да и даде дополнителен импулс ако нема доволно сопствена енергија да се преврти преку бродот.
Сега замислете дека страните на јамата се издигаат над површината на земјата (како лунарните кратери). Ако топката успее да падне преку подигната страна на таква дупка, таа ќе се тркала понатаму. Важно е да се запамети дека во Њутновиот светтопката и дупката, самиот факт дека, откако ќе помине преку страната на дупката, топката ќе се тркала понатаму, нема смисла ако топката нема доволно кинетичка енергија за да стигне до горниот раб. Ако не стигне до работ, едноставно нема да излезе од дупката и, соодветно, под никакви услови, со која било брзина и нема да се тркала никаде понатаму, без разлика колку високо над површината, работ на страната се наоѓа надвор. .
Во светот на квантната механика, работите се поинакви. Да замислиме дека има квантна честичка во нешто како таква дупка. Во овој случај зборуваме заповеќе не за вистинска физичка јама, туку за условна ситуација, кога една честичка бара одредено снабдување со енергија неопходна за да се надмине бариерата што ја спречува да избие од она што физичарите се согласиле да го наречат „потенцијална дупка“. Оваа јама има и енергетски аналог на страната - т.н „потенцијална бариера“. Значи, ако е надвор од потенцијалната бариера нивото на напнатост енергетско полеподолу , отколку енергијата што ја поседува една честичка, таа има шанса да биде „надвор“, дури и ако вистинската кинетичка енергија на оваа честичка не е доволна да „премине“ од работ на таблата во Њутнова смисла. Овој механизам за минување на честичка низ потенцијална бариера се нарекува ефект на квантно тунелирање.
Работи вака: во квантната механика, честичката се опишува преку бранова функција, која е поврзана со веројатноста за локацијата на честичката во ова местоВ во моментотвреме. Ако честичката се судри со потенцијална бариера, Шредингеровата равенка овозможува да се пресмета веројатноста за продирање на честичка низ неа, бидејќи брановата функција не само што енергетски се апсорбира од бариерата, туку се гаси многу брзо - експоненцијално. Со други зборови, потенцијална бариера во светот квантна механикаматно Тоа, се разбира, го спречува движењето на честичката, но не е цврста, непробојна граница, како што е случај во класична механикаЊутн.
Ако бариерата е доволно ниска или ако вкупната енергија на честичката е блиску до прагот, брановата функција, иако брзо се намалува како што честичката се приближува до работ на бариерата, и остава шанса да ја надмине. Односно, постои одредена веројатност дека честичката ќе биде откриена од другата страна на потенцијалната бариера - во светот на Њутновата механика тоа би било невозможно. И штом честичката ќе го помине работ на бариерата (нека има облик на лунарен кратер), таа слободно ќе се тркала по својата надворешна падина подалеку од дупката од која излегла.
Квантниот тунелен спој може да се смета како еден вид „истекување“ или „пробивање“ на честичка низ потенцијална бариера, по што честичката се оддалечува од бариерата. Примери за ваков вид на појави има многу во природата, како и во современите технологии. Земете типично радиоактивно распаѓање: тешко јадро емитира алфа честичка која се состои од два протони и два неутрони. Од една страна, може да се замисли овој процес на таков начин што тешкото јадро држи алфа честичка во себе преку интрануклеарни врзувачки сили, исто како што топката се држела во дупката во нашиот пример. Сепак, дури и ако алфа честичката нема доволно слободна енергија за да ја надмине бариерата на интрануклеарни врски, сепак постои можност за нејзино одвојување од јадрото. И со набљудување на спонтана алфа емисија, добиваме експериментална потврдареалноста на ефектот на тунелот.
Друга важен примерефект на тунел - процес на термонуклеарна фузија што ги снабдува ѕвездите со енергија ( см.Еволуција на ѕвездите). Една од фазите на термонуклеарната фузија е судирот на две јадра на деутериум (еден протон и по еден неутрон), што резултира со формирање на јадро на хелиум-3 (два протони и еден неутрон) и емисија на еден неутрон. Според законот на Кулон, помеѓу две честички со еднаков полнеж(В во овој случајпротоните кои ги сочинуваат јадрата на деутериум) делуваат најмоќната силамеѓусебно одбивност - тоа е, постои моќна потенцијална бариера. Во светот на Њутн, јадрата на деутериум едноставно не можеа да се приближат доволно блиску за да синтетизираат јадро на хелиум. Меѓутоа, во длабочините на ѕвездите, температурата и притисокот се толку високи што енергијата на јадрата се приближува до прагот на нивната синтеза (во наша смисла, јадрата се речиси на работ на бариерата), како резултат на што ефект на тунел, се случува термонуклеарна фузија- и ѕвездите сјаат.
Конечно, ефектот на тунел веќе се користи во пракса во технологијата на електронски микроскоп. Дејството на оваа алатка се заснова на фактот дека металниот врв на сондата се приближува до површината што се проучува на исклучително кратко растојание. Во овој случај, потенцијалната бариера ги спречува електроните од металните атоми да течат на површината што се проучува. При поместување на сондата до максимум одблискузаедно површината што се испитува, тој ја подредува атом по атом. Кога сондата е во непосредна близина на атомите, бариерата е пониска , отколку кога сондата минува во просторите меѓу нив. Според тоа, кога уредот „напика“ по атом, струјата се зголемува поради зголеменото истекување на електрони како резултат на ефектот на тунелирање, а во просторот помеѓу атомите струјата се намалува. Ова овозможува детална истрага атомски структуриповршини, буквално ги „мапирајќи“. Патем, електронските микроскопи ја даваат конечната потврда на атомската теорија за структурата на материјата.
Ефект на тунел
Ефект на тунелирање
Ефект на тунел (тунелирање) - поминување на честичка (или систем) низ просторот во кој престојот е забранет класична механика. Повеќето познат примертаков процес е поминување на честичка низ потенцијална бариера кога нејзината енергија Е е помала од висината на бариерата U 0 . Во класичната физика, честичката не може да се појави во областа на таквата бариера, а уште помалку да помине низ неа, бидејќи тоа го нарушува законот за зачувување на енергијата. Меѓутоа, во квантната физика ситуацијата е фундаментално различна. Квантна честичкане се движи по некоја специфична траекторија. Затоа, можеме да зборуваме само за веројатноста да се најде честичка во одреден регион на просторот ΔρΔх > ћ. > Во овој случај, ниту потенцијалните ниту кинетичките енергии немаат дефинитивни вредности во согласност со принципот на несигурност. Дозволено е отстапување од класичната енергија E за износот ΔE за време на временски интервали t дадени со релацијата на несигурност ΔEΔt
ћ (ћ = h/2π, каде што h е Планкова константа). Можноста честичката да мине низ потенцијална бариера се должи на барањето за континуиранобранова функција
на ѕидовите на потенцијалната бариера.
Веројатноста за откривање на честичка десно и лево е поврзана една со друга со однос што зависи од разликата E - U(x) во регионот на потенцијалната бариера и од ширината на бариерата x 1 - x 2 во дадена енергија.< 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 Како што се зголемува висината и ширината на бариерата, веројатноста за ефект на тунел се намалува експоненцијално. Веројатноста за ефект на тунел исто така брзо се намалува со зголемување на масата на честичките.Продирањето низ бариерата е веројатно. Честичка со Е