Có khả năng một hạt lượng tử sẽ xuyên qua một rào cản mà hạt cơ bản cổ điển không thể vượt qua.
Hãy tưởng tượng một quả bóng lăn bên trong một cái hố hình cầu được đào trên mặt đất. Tại bất kỳ thời điểm nào, năng lượng của quả bóng được phân bổ giữa động năng của nó và thế năng của trọng lực theo tỷ lệ tùy thuộc vào độ cao của quả bóng so với đáy lỗ (theo định luật thứ nhất nhiệt động lực học). Khi bóng chạm tới mép lỗ, có thể xảy ra hai tình huống. Nếu tổng năng lượng của nó vượt quá thế năng của trường hấp dẫn, được xác định bởi độ cao của vị trí quả bóng, nó sẽ nhảy ra khỏi lỗ. Nếu tổng năng lượng của quả bóng nhỏ hơn thế năng của trọng lực ở mặt bên của lỗ, quả bóng sẽ lăn xuống, quay trở lại lỗ, về phía đối diện; lúc thế năng bằng tổng năng lượng của quả bóng thì nó dừng lại và lăn trở lại. Trong trường hợp thứ hai, quả bóng sẽ không bao giờ lăn ra khỏi lỗ trừ khi được cung cấp thêm động năng cho nó - chẳng hạn như bằng cách đẩy nó. Theo định luật cơ học của Newton, quả bóng sẽ không bao giờ rời khỏi lỗ nếu không được cung cấp thêm động lượng nếu nó không có đủ năng lượng để lăn xuống biển.
Bây giờ hãy tưởng tượng rằng các cạnh của hố nhô lên trên bề mặt trái đất (giống như miệng núi lửa trên mặt trăng). Nếu quả bóng rơi qua mặt nhô lên của lỗ như vậy, nó sẽ lăn xa hơn. Điều quan trọng cần nhớ là trong thế giới Newton của quả bóng và cái lỗ, việc quả bóng lăn xa hơn về phía lỗ sẽ không có ý nghĩa gì nếu quả bóng không có đủ động năng để chạm tới mép trên. Nếu nó không chạm tới mép, đơn giản là nó sẽ không thoát ra khỏi lỗ và theo đó, trong mọi điều kiện, ở bất kỳ tốc độ nào và sẽ không lăn đi xa hơn nữa, bất kể mép của bên đó nằm ở bên ngoài cao bao nhiêu so với bề mặt. .
Trong thế giới của cơ học lượng tử, mọi thứ lại khác. Hãy tưởng tượng rằng có một hạt lượng tử trong một cái gì đó giống như một cái lỗ. Trong trường hợp này, chúng ta không còn nói về một lỗ vật lý thực sự nữa mà nói về một tình huống có điều kiện khi một hạt cần một nguồn năng lượng nhất định cần thiết để vượt qua rào cản ngăn nó thoát ra khỏi cái mà các nhà vật lý đã đồng ý gọi là "lỗ hổng tiềm năng". Hố này cũng có một chất tương tự năng lượng ở bên cạnh - cái gọi là “rào cản tiềm năng”. Vì vậy, nếu ở bên ngoài hàng rào thế năng, mức cường độ trường năng lượng thấp hơn năng lượng mà hạt sở hữu thì nó có khả năng “vượt quá giới hạn”, ngay cả khi động năng thực sự của hạt này không đủ để “vượt qua” cạnh của bảng theo nghĩa Newton. Cơ chế cho hạt đi qua hàng rào thế được gọi là hiệu ứng đường hầm lượng tử.
Nó hoạt động như thế này: trong cơ học lượng tử, một hạt được mô tả thông qua hàm sóng, hàm này liên quan đến xác suất hạt đó nằm ở một vị trí nhất định tại một thời điểm nhất định. Nếu một hạt va chạm với một hàng rào thế năng, phương trình Schrödinger cho phép chúng ta tính xác suất hạt xuyên qua nó, vì hàm sóng không chỉ bị hàng rào hấp thụ năng lượng mà còn bị dập tắt rất nhanh - theo cấp số nhân. Nói cách khác, rào cản tiềm năng trong thế giới cơ học lượng tử bị xóa mờ. Tất nhiên, nó ngăn cản hạt chuyển động, nhưng không phải là một ranh giới rắn, không thể xuyên thủng, như trường hợp của cơ học Newton cổ điển.
Nếu rào cản đủ thấp hoặc nếu tổng năng lượng của hạt gần đến ngưỡng, thì hàm sóng, mặc dù nó giảm nhanh khi hạt tiến đến rìa của rào cản, nhưng vẫn có cơ hội vượt qua rào cản đó. Nghĩa là, có một xác suất nhất định là hạt sẽ được phát hiện ở phía bên kia của hàng rào thế - trong thế giới của cơ học Newton, điều này là không thể. Và một khi hạt đã vượt qua rìa của rào chắn (hãy để nó có hình dạng của một miệng núi lửa mặt trăng), nó sẽ tự do lăn xuống sườn dốc bên ngoài của nó ra khỏi lỗ mà nó xuất hiện.
Một điểm nối đường hầm lượng tử có thể được coi là một dạng “rò rỉ” hoặc “thấm” của một hạt qua một hàng rào thế, sau đó hạt đó di chuyển ra khỏi hàng rào đó. Có rất nhiều ví dụ về loại hiện tượng này trong tự nhiên cũng như trong công nghệ hiện đại. Lấy một phân rã phóng xạ điển hình: một hạt nhân nặng phát ra một hạt alpha gồm hai proton và hai neutron. Một mặt, người ta có thể hình dung quá trình này theo cách một hạt nhân nặng giữ một hạt alpha bên trong nó thông qua các lực liên kết nội hạt nhân, giống như quả bóng được giữ trong lỗ trong ví dụ của chúng ta. Tuy nhiên, ngay cả khi hạt alpha không có đủ năng lượng tự do để vượt qua hàng rào liên kết nội hạt nhân thì vẫn có khả năng nó bị tách ra khỏi hạt nhân. Và bằng cách quan sát sự phát xạ alpha tự phát, chúng ta nhận được xác nhận thực nghiệm về tính thực tế của hiệu ứng đường hầm.
Một ví dụ quan trọng khác của hiệu ứng đường hầm là quá trình phản ứng tổng hợp nhiệt hạch cung cấp năng lượng cho các ngôi sao (xem Sự tiến hóa của sao). Một trong những giai đoạn của phản ứng tổng hợp nhiệt hạch là sự va chạm của hai hạt nhân deuterium (mỗi hạt một proton và một neutron), dẫn đến sự hình thành hạt nhân helium-3 (hai proton và một neutron) và phát ra một neutron. Theo định luật Coulomb, giữa hai hạt có cùng điện tích (trong trường hợp này là các proton là một phần của hạt nhân deuterium) có một lực đẩy lẫn nhau rất mạnh - nghĩa là có một rào cản thế năng rất mạnh. Trong thế giới của Newton, hạt nhân deuterium đơn giản là không thể đến đủ gần để tổng hợp hạt nhân helium. Tuy nhiên, ở độ sâu của các ngôi sao, nhiệt độ và áp suất cao đến mức năng lượng của hạt nhân đạt đến ngưỡng hợp nhất của chúng (theo nghĩa của chúng ta, hạt nhân gần như ở rìa của rào cản), kết quả là Hiệu ứng đường hầm bắt đầu hoạt động, phản ứng tổng hợp nhiệt hạch xảy ra - và các ngôi sao tỏa sáng.
Cuối cùng, hiệu ứng đường hầm đã được sử dụng trong thực tế trong công nghệ kính hiển vi điện tử. Hoạt động của công cụ này dựa trên thực tế là đầu kim loại của đầu dò tiếp cận bề mặt đang nghiên cứu ở khoảng cách cực ngắn. Trong trường hợp này, hàng rào thế năng ngăn cản các electron từ nguyên tử kim loại chảy đến bề mặt đang nghiên cứu. Khi di chuyển đầu dò ở một khoảng cách cực gần dọc theo bề mặt đang nghiên cứu, nó dường như đang di chuyển từng nguyên tử. Khi đầu dò ở gần các nguyên tử, rào cản sẽ thấp hơn so với khi đầu dò đi qua giữa chúng. Theo đó, khi thiết bị “mò mẫm” một nguyên tử, dòng điện tăng lên do sự rò rỉ điện tử tăng lên do hiệu ứng xuyên hầm, và trong khoảng trống giữa các nguyên tử, dòng điện giảm đi. Điều này giúp có thể nghiên cứu chi tiết cấu trúc nguyên tử của các bề mặt, theo nghĩa đen là “lập bản đồ” chúng. Nhân tiện, kính hiển vi điện tử cung cấp sự xác nhận cuối cùng về lý thuyết nguyên tử về cấu trúc của vật chất.
HIỆU ỨNG HẦM(đường hầm) - sự chuyển đổi lượng tử của một hệ thống thông qua một vùng chuyển động bị cấm theo cổ điển cơ khí. Một ví dụ điển hình của quá trình như vậy là sự chuyển động của một hạt qua rào cản tiềm năng
khi năng lượng của cô ấy nhỏ hơn chiều cao của rào chắn. Động lượng hạt r 
trong trường hợp này, được xác định từ mối quan hệ Ở đâu U(x) - tiềm năng năng lượng hạt ( T - khối lượng), sẽ nằm trong vùng bên trong rào chắn, một đại lượng tưởng tượng. TRONG cơ học lượng tử nhờ vào mối quan hệ không chắc chắn Giữa xung lực và tọa độ, chuyển động của thanh chắn phụ trở nên khả thi. Hàm sóng của một hạt trong vùng này suy giảm theo cấp số nhân và theo mô hình chuẩn cổ điển trường hợp (xem Xấp xỉ bán cổ điển
) biên độ của nó tại điểm đi ra khỏi hàng rào nhỏ. Một trong những cách giải bài toán về sự truyền điện thế. Rào chắn tương ứng với trường hợp một dòng hạt đứng yên rơi vào rào chắn và cần tìm giá trị của dòng hạt truyền qua. Đối với những vấn đề như vậy, một hệ số được đưa ra. tính minh bạch của rào cản (hệ số chuyển tiếp đường hầm) D
, bằng tỷ số giữa cường độ của luồng truyền và luồng sự cố. Từ khả năng đảo ngược thời gian nó suy ra hệ số. Độ trong suốt của các chuyển tiếp theo hướng "tiến" và ngược lại là như nhau. Trong trường hợp một chiều, hệ số. tính minh bạch có thể được viết là việc tích hợp được thực hiện trên một khu vực không thể tiếp cận theo kiểu cổ điển, X Một trong những cách giải bài toán về sự truyền điện thế. Rào chắn tương ứng với trường hợp một dòng hạt đứng yên rơi vào rào chắn và cần tìm giá trị của dòng hạt truyền qua. Đối với những vấn đề như vậy, một hệ số được đưa ra. tính minh bạch của rào cản (hệ số chuyển tiếp đường hầm) 1,2 - điểm ngoặt xác định từ điều kiện Tại điểm quay trong giới hạn cổ điển. cơ học, động lượng của hạt bằng không.
Nếu điều kiện tựa cổ điển được thỏa mãn
dọc theo toàn bộ chiều dài của rào chắn, ngoại trừ phần ngay lập tức vùng lân cận của những bước ngoặt x hệ số 1,2 Một trong những cách giải bài toán về sự truyền điện thế. Rào chắn tương ứng với trường hợp một dòng hạt đứng yên rơi vào rào chắn và cần tìm giá trị của dòng hạt truyền qua. Đối với những vấn đề như vậy, một hệ số được đưa ra. tính minh bạch của rào cản (hệ số chuyển tiếp đường hầm) 0 hơi khác một chút. sinh vật sự khác biệt Một trong những cách giải bài toán về sự truyền điện thế. Rào chắn tương ứng với trường hợp một dòng hạt đứng yên rơi vào rào chắn và cần tìm giá trị của dòng hạt truyền qua. Đối với những vấn đề như vậy, một hệ số được đưa ra. tính minh bạch của rào cản (hệ số chuyển tiếp đường hầm) Ví dụ, 0 từ sự thống nhất có thể xảy ra trong trường hợp đường cong tiềm năng. năng lượng từ một phía của rào cản tăng mạnh đến mức gần như cổ điển phép tính gần đúng không được áp dụng ở đó hoặc khi năng lượng gần với chiều cao rào cản (tức là biểu thức số mũ nhỏ). Đối với chiều cao rào chắn hình chữ nhật bạn o và chiều rộng MỘT
hệ số độ trong suốt được xác định bởi tập tin 
Ở đâu Một trong những cách giải bài toán về sự truyền điện thế. Rào chắn tương ứng với trường hợp một dòng hạt đứng yên rơi vào rào chắn và cần tìm giá trị của dòng hạt truyền qua. Đối với những vấn đề như vậy, một hệ số được đưa ra. tính minh bạch của rào cản (hệ số chuyển tiếp đường hầm)Đáy của rào cản tương ứng với năng lượng bằng không. Trong bán cổ điển trường hợp
nhỏ so với sự thống nhất. Tiến sĩ Việc xây dựng bài toán về sự đi qua của một hạt qua một rào cản như sau. Hãy để hạt ở đầu thời điểm ở trong trạng thái gần với cái gọi là. trạng thái đứng yên, điều này sẽ xảy ra với một rào cản không thể xuyên thủng (ví dụ, với một rào cản được nâng lên từ giếng tiềm năng 
đến độ cao lớn hơn năng lượng của hạt phát ra). Trạng thái này được gọi là gần như cố định. Tương tự như trạng thái dừng, trong trường hợp này sự phụ thuộc của hàm sóng của hạt vào thời gian được cho bởi hệ sốĐại lượng phức ở đây xuất hiện dưới dạng năng lượng
E , phần ảo xác định xác suất phân rã của trạng thái gần như đứng yên trên một đơn vị thời gian do T. e.: Trong bán cổ điển Khi tiến tới, xác suất cho bởi f-loy (3) chứa hàm mũ. hệ số cùng loại với in-f-le (1). Trong trường hợp thế năng đối xứng hình cầu. rào cản là xác suất phân rã của trạng thái gần như đứng yên khỏi quỹ đạo.
tôi được xác định bởi f-loyĐây r 1,2 là các điểm quay hướng tâm, số nguyên trong đó bằng 0. Nhân tố
w 0 o và chiều rộng chẳng hạn, phụ thuộc vào bản chất của chuyển động trong phần điện thế được cho phép theo phương pháp cổ điển. anh ấy tỷ lệ thuận. cổ điển tần số của hạt giữa các bức tường chắn. 
T. e. cho phép chúng ta hiểu được cơ chế phân rã của hạt nhân nặng. Giữa hạt và hạt nhân con có một lực tĩnh điện. lực đẩy được xác định bởi f-loy Ở những khoảng cách nhỏ cỡ cỡ o và chiều rộng các hạt nhân là như vậy eff. tiềm năng có thể được coi là tiêu cực:
Kết quả là, xác suất
-phân rã được đưa ra bởi mối quan hệ Đây là năng lượng của hạt a phát ra. T. e. xác định khả năng xảy ra phản ứng nhiệt hạch trong Mặt trời và các ngôi sao ở nhiệt độ hàng chục và hàng trăm triệu độ (xem phần 2).
Trong một thế năng đối xứng, bao gồm hai giếng giống hệt nhau được ngăn cách bởi một rào cản thấm yếu, tức là. dẫn đến các trạng thái trong giếng, dẫn đến sự phân tách kép yếu của các mức năng lượng rời rạc (còn gọi là phân tách nghịch đảo; xem quang phổ phân tử)
. Đối với một tập hợp các lỗ có chu kỳ vô hạn trong không gian, mỗi cấp độ sẽ biến thành một vùng năng lượng. Đây là cơ chế hình thành năng lượng electron hẹp. các vùng trong tinh thể có sự liên kết mạnh mẽ của các electron với các vị trí mạng tinh thể.
Nếu một dòng điện được áp dụng cho một tinh thể bán dẫn. trường, khi đó các vùng năng lượng cho phép của electron sẽ nghiêng trong không gian. Vì vậy, cấp độ bài viết năng lượng điện tử đi qua tất cả các vùng. Trong những điều kiện này, sự chuyển đổi của một electron từ một mức năng lượng có thể xảy ra. vùng này sang vùng khác do T. e. Vùng không thể tiếp cận theo kiểu cổ điển là vùng năng lượng bị cấm. Hiện tượng này được gọi là. Sự cố Zener. bán cổ điển ở đây sự gần đúng tương ứng với một giá trị nhỏ của cường độ điện. lĩnh vực. Trong giới hạn này, xác suất xảy ra sự cố Zener về cơ bản được xác định. theo cấp số nhân, trong chỉ báo cắt có số âm lớn. một giá trị tỷ lệ thuận với tỷ lệ độ rộng của năng lượng cấm. vùng theo năng lượng mà một electron thu được trong một trường ứng dụng ở khoảng cách bằng kích thước của ô đơn vị. nhỏ hơn chiều cao của rào chắn. Động lượng hạt Hiệu ứng tương tự xuất hiện ở điốt đường hầm, trong đó các vùng nghiêng do chất bán dẫn
- Và N.
-type trên cả hai mặt của biên giới liên lạc của họ. Đường hầm xảy ra do thực tế là trong khu vực nơi tàu sân bay đi đến có mật độ hữu hạn các trạng thái không có người ở. Cảm ơn T. e. điện có thể dòng điện giữa hai kim loại cách nhau bởi một lớp điện môi mỏng. phân vùng. Những kim loại này có thể ở cả trạng thái bình thường và siêu dẫn. Trong trường hợp sau có thể có hiệu ứng Josephson T. e. Hiện tượng như vậy xảy ra khi có dòng điện mạnh là do. các lĩnh vực, chẳng hạn như sự tự động hóa của các nguyên tử (xem Ion hóa trường
T. e. có thể xảy ra không chỉ trong các hệ lượng tử chỉ gồm một hạt. Vì vậy, ví dụ, chuyển động ở nhiệt độ thấp trong tinh thể có thể liên quan đến sự chui hầm của phần cuối cùng của sự lệch vị trí, bao gồm nhiều hạt. Trong những bài toán thuộc loại này, sự lệch tuyến tính có thể được biểu diễn dưới dạng một sợi dây đàn hồi, ban đầu nằm dọc theo trục Tạiở một trong những cực tiểu cục bộ của tiềm năng V(x,y). Khả năng này không phụ thuộc vào Tại, và hình nổi của nó dọc theo trục việc tích hợp được thực hiện trên một khu vực không thể tiếp cận theo kiểu cổ điển, là một chuỗi các cực tiểu cục bộ, mỗi cực tiểu thấp hơn chuỗi kia một lượng tùy thuộc vào lực cơ học tác dụng lên tinh thể. . Chuyển động của trật khớp dưới tác động của ứng suất này được giảm xuống thành đường hầm vào mức tối thiểu liền kề được xác định. đoạn trật khớp sau đó kéo phần còn lại của nó vào đó. Loại cơ chế đường hầm tương tự có thể chịu trách nhiệm cho sự chuyển động sóng mật độ điện tích trong Peierls (xem).
Chuyển đổi Peierls 
trong trường hợp này, được xác định từ mối quan hệ Để tính toán hiệu ứng đường hầm của các hệ lượng tử đa chiều như vậy, sẽ thuận tiện hơn khi sử dụng các phương pháp bán cổ điển. biểu diễn hàm sóng dưới dạng S Để tính toán hiệu ứng đường hầm của các hệ lượng tử đa chiều như vậy, sẽ thuận tiện hơn khi sử dụng các phương pháp bán cổ điển. biểu diễn hàm sóng dưới dạng- cổ điển hành động hệ thống. Đối với T. e. phần ảo có ý nghĩa
, xác định độ suy giảm của hàm sóng trong vùng không thể tiếp cận được về mặt kinh điển.
Để tính toán nó, người ta sử dụng phương pháp quỹ đạo phức tạp. Khả năng vượt qua hạt lượng tử rào cản có thể được kết nối với bộ điều nhiệt. Trong cổ điển Trong cơ học, điều này tương ứng với chuyển động có ma sát. Vì vậy, để mô tả đường hầm cần phải sử dụng một lý thuyết gọi là tiêu tán. Những xem xét thuộc loại này phải được sử dụng để giải thích thời gian tồn tại hữu hạn của các trạng thái hiện tại của các tiếp điểm Josephson. Trong trường hợp này, đường hầm xảy ra. hạt lượng tử xuyên qua hàng rào và vai trò của bộ điều nhiệt được thực hiện bởi các electron thông thường. Lít.:.
Hiệu ứng đường hầm là một hiện tượng đáng kinh ngạc, hoàn toàn không thể xảy ra theo quan điểm vật lý cổ điển. Nhưng trong thế giới lượng tử bí ẩn và bí ẩn, các định luật tương tác hơi khác nhau giữa vật chất và năng lượng vận hành. Hiệu ứng đường hầm là quá trình vượt qua một rào cản tiềm năng nhất định với điều kiện năng lượng của nó nhỏ hơn chiều cao của rào cản. Hiện tượng này chỉ có bản chất lượng tử và hoàn toàn mâu thuẫn với tất cả các định luật và giáo điều của cơ học cổ điển. Điều đáng kinh ngạc hơn là thế giới chúng ta đang sống.
Cách tốt nhất để hiểu hiệu ứng đường hầm lượng tử là sử dụng ví dụ về một quả bóng golf được ném vào lỗ bằng một lực nào đó. Tại bất kỳ đơn vị thời gian nào, tổng năng lượng của quả bóng đối lập với lực hấp dẫn tiềm tàng. Nếu chúng ta cho rằng nó kém hơn lực hấp dẫn thì vật được chỉ định sẽ không thể tự rời khỏi lỗ. Nhưng điều này phù hợp với các định luật vật lý cổ điển. Để vượt qua mép hố và tiếp tục đi tiếp, nó chắc chắn sẽ cần thêm động năng. Đây là điều mà Newton vĩ đại đã nói.
Trong thế giới lượng tử, mọi thứ có phần khác biệt. Bây giờ hãy giả sử rằng có một hạt lượng tử trong lỗ. Trong trường hợp này, chúng ta sẽ không còn nói về độ lún vật lý thực sự trong lòng đất nữa mà nói về cái mà các nhà vật lý thường gọi là “lỗ thế”. Giá trị như vậy cũng có tính chất tương tự về mặt vật lý - rào cản năng lượng. Ở đây tình hình thay đổi triệt để nhất. Để cái gọi là quá trình chuyển đổi lượng tử diễn ra và hạt xuất hiện bên ngoài rào cản thì cần phải có một điều kiện khác.
Nếu cường độ của trường năng lượng bên ngoài nhỏ hơn hạt thì nó có cơ hội thực sự bất kể chiều cao của nó. Ngay cả khi nó không có đủ động năng theo hiểu biết của vật lý Newton. Đây là hiệu ứng đường hầm tương tự. Nó hoạt động như sau. Thông thường, người ta mô tả bất kỳ hạt nào không sử dụng bất kỳ đại lượng vật lý nào mà thông qua hàm sóng gắn với xác suất hạt đó định vị tại một điểm nhất định trong không gian tại mỗi đơn vị thời gian cụ thể.
Khi một hạt va chạm với một rào cản nhất định, sử dụng phương trình Schrödinger, bạn có thể tính xác suất vượt qua rào cản này. Vì rào chắn không chỉ hấp thụ năng lượng mà còn dập tắt nó theo cấp số nhân. Nói cách khác, trong thế giới lượng tử không có những rào cản không thể vượt qua mà chỉ có những điều kiện bổ sung để một hạt có thể vượt qua những rào cản này. Tất nhiên, có nhiều chướng ngại vật cản trở chuyển động của các hạt, nhưng không phải là những ranh giới vững chắc, không thể xuyên thủng. Nói một cách thông thường, đây là một loại biên giới giữa hai thế giới - thể chất và năng lượng.
Hiệu ứng đường hầm có điểm tương tự trong vật lý hạt nhân - sự tự động hóa của một nguyên tử trong điện trường mạnh. Vật lý chất rắn cũng có rất nhiều ví dụ về biểu hiện đường hầm. Điều này bao gồm phát xạ trường, di chuyển, cũng như các hiệu ứng phát sinh khi tiếp xúc với hai chất siêu dẫn được ngăn cách bởi một màng điện môi mỏng. Đường hầm đóng một vai trò đặc biệt trong việc thực hiện nhiều quá trình hóa học trong điều kiện nhiệt độ thấp và đông lạnh.
Hiệu ứng đường hầm, đào hầm- khắc phục rào cản tiềm năng bằng một vi hạt trong trường hợp tổng năng lượng của nó (không thay đổi trong quá trình đào hầm) nhỏ hơn chiều cao của rào cản. Hiệu ứng đường hầm về cơ bản là một hiện tượng tự nhiên, không thể xảy ra được; Một hiện tượng tương tự của hiệu ứng đường hầm có thể là sự xuyên qua của sóng ánh sáng vào môi trường phản xạ (ở những khoảng cách cỡ bước sóng ánh sáng) trong những điều kiện mà ở đó, theo quan điểm, xảy ra phản xạ nội toàn phần. Hiện tượng đào hầm là nền tảng của nhiều quá trình quan trọng trong vật lý phân tử, vật lý hạt nhân nguyên tử, v.v.
Lý thuyết
Hiệu ứng đường hầm cuối cùng được giải thích bằng mối quan hệ (xem thêm, Lưỡng tính sóng-hạt). Một hạt cổ điển không thể ở bên trong hàng rào chiều cao tiềm năng V., nếu năng lượng của nó là E< V, так как кинетическая энергия частицы P 2 / 2tôi = E − V. trở nên âm và động lượng của nó nhỏ hơn chiều cao của rào chắn. Động lượng hạt- đại lượng ảo ( tôi- khối lượng hạt). Tuy nhiên, đối với một vi hạt, kết luận này là không công bằng: do mối quan hệ bất định, sự cố định của một hạt trong vùng không gian bên trong hàng rào làm cho động lượng của nó không chắc chắn. Do đó, có một xác suất khác 0 để phát hiện một vi hạt bên trong một vùng bị cấm, theo quan điểm của cơ học cổ điển. Theo đó, xuất hiện một xác suất nhất định để hạt đi qua hàng rào thế, tương ứng với hiệu ứng đường hầm. Xác suất này càng lớn, khối lượng của hạt càng nhỏ thì hàng rào thế năng càng hẹp và hạt càng thiếu ít năng lượng để đạt đến độ cao của hàng rào (nghĩa là chênh lệch càng nhỏ). V. − E ).
Xác suất đi qua hàng rào là yếu tố chính quyết định các đặc tính vật lý của hiệu ứng đào hầm. Trong trường hợp hàng rào thế năng một chiều, đặc tính này là hệ số trong suốt của hàng rào, bằng tỷ lệ giữa dòng hạt đi qua nó và dòng tới trên hàng rào. Trong trường hợp hàng rào thế năng ba chiều giới hạn một vùng không gian kín có thế năng giảm (giếng thế), hiệu ứng đường hầm được đặc trưng bởi xác suất w sự thoát ra của một hạt khỏi vùng này trong một đơn vị thời gian; kích cỡ w bằng tích của tần số dao động của hạt bên trong giếng thế và xác suất đi qua hàng rào. Khả năng “rò rỉ” ra khỏi hạt ban đầu nằm trong giếng thế dẫn đến thực tế là các mức năng lượng hạt tương ứng thu được độ rộng hữu hạn cỡ ồ (h- ), và bản thân những trạng thái này trở nên gần như cố định.
Ví dụ
Một ví dụ về biểu hiện của hiệu ứng đường hầm trong vật lý nguyên tử là quá trình tự động hóa nguyên tử trong điện trường mạnh. Gần đây, quá trình ion hóa một nguyên tử trong trường sóng điện từ mạnh đã thu hút được nhiều sự chú ý đặc biệt. Trong vật lý hạt nhân, hiệu ứng đường hầm làm cơ sở cho sự hiểu biết về các định luật hạt nhân phóng xạ: là kết quả của tác động kết hợp giữa lực hút hạt nhân tầm ngắn và lực đẩy tĩnh điện (Coulomb), một hạt alpha, khi rời khỏi hạt nhân, phải vượt qua rào cản tiềm năng ba chiều thuộc loại được mô tả ở trên (). Nếu không có đường hầm, các phản ứng nhiệt hạch sẽ không thể xảy ra: rào cản ngăn chặn sự hội tụ của các hạt nhân phản ứng cần thiết cho phản ứng tổng hợp bị khắc phục một phần nhờ tốc độ cao (nhiệt độ cao) của các hạt nhân đó và một phần do hiệu ứng xuyên hầm.
Đặc biệt có rất nhiều ví dụ về sự biểu hiện của hiệu ứng đường hầm trong vật lý chất rắn: sự phát xạ trường của các electron từ kim loại và chất bán dẫn (xem Phát xạ đường hầm); hiện tượng trong chất bán dẫn đặt trong điện trường mạnh (xem); sự di chuyển của các electron hóa trị trong mạng tinh thể (xem); các hiệu ứng phát sinh khi tiếp xúc giữa hai chất siêu dẫn được ngăn cách bởi một màng mỏng kim loại thông thường hoặc chất điện môi (xem), v.v.
Lịch sử và những nhà thám hiểm
Văn học
- Blokhintsev D.I., Nguyên tắc cơ bản của Cơ học Lượng tử, tái bản lần thứ 4, M., 1963;
- Landau L.D., Lifshits E.M., Cơ học lượng tử. Lý thuyết phi tương đối tính, tái bản lần thứ 3, M., 1974 (Vật lý lý thuyết, tập 3).
HIỆU ỨNG HẦM, một hiệu ứng lượng tử bao gồm sự thâm nhập của một hạt lượng tử qua một vùng không gian, theo các định luật cổ điển, vật lý, việc tìm kiếm một hạt bị cấm. Cổ điển một hạt có tổng năng lượng là E và có thế năng. trường chỉ có thể cư trú ở những vùng không gian mà tổng năng lượng của nó không vượt quá thế năng. năng lượng U tương tác với trường. Vì hàm sóng của hạt lượng tử khác 0 trong không gian và xác suất tìm thấy hạt trong một vùng không gian nhất định được cho bởi bình phương mô đun của hàm sóng, nên bị cấm (theo quan điểm của cơ học cổ điển). ) các vùng có hàm sóng khác 0.
T Thật thuận tiện để minh họa hiệu ứng đường hầm bằng cách sử dụng bài toán mô hình của hạt một chiều trong trường thế U(x) (x là tọa độ của hạt). Trong trường hợp thế năng giếng đôi đối xứng (Hình a), hàm sóng phải “khớp” bên trong giếng, tức là đó là sóng dừng. Nguồn năng lượng rời rạc các mức nằm bên dưới hàng rào ngăn cách cực tiểu của dạng thế các mức có khoảng cách gần nhau (gần như suy biến). Chênh lệch năng lượng cấp độ, thành phần, được gọi. sự phân tách đường hầm, sự khác biệt này là do lời giải chính xác của bài toán (hàm sóng) cho từng trường hợp được định vị ở cả cực tiểu của thế năng và tất cả các lời giải chính xác đều tương ứng với các mức không suy biến (xem). Xác suất của hiệu ứng đường hầm được xác định bởi hệ số truyền gói sóng qua hàng rào, hệ số này mô tả trạng thái không cố định của hạt định vị ở một trong các cực tiểu tiềm năng.
Đường cong tiềm năng năng lượng U (x) của hạt trong trường hợp nó chịu tác dụng của lực hút (a - hai giếng thế, b - một giếng thế), và trong trường hợp khi có lực đẩy tác dụng lên hạt (thế năng đẩy, c). E là tổng năng lượng của hạt, x là tọa độ. Các đường mảnh mô tả hàm sóng.
Trong tiềm năng trường có một mức tối thiểu cục bộ (Hình b) đối với hạt có năng lượng E lớn hơn thế năng tương tác tại c =, năng lượng rời rạc. các trạng thái vắng mặt, nhưng có một tập hợp các trạng thái gần như cố định, trong đó có liên quan đến trạng thái lớn. xác suất tìm thấy hạt gần mức tối thiểu.
Các gói sóng tương ứng với các trạng thái gần như cố định như vậy mô tả các trạng thái siêu bền; các gói sóng lan ra và biến mất do hiệu ứng đường hầm. Những trạng thái này được đặc trưng bởi thời gian tồn tại của chúng (xác suất phân rã) và độ rộng năng lượng. mức độ.
Đối với một hạt có lực đẩy (Hình c), một gói sóng mô tả trạng thái không cố định ở một phía của điện thế. rào cản, ngay cả khi năng lượng của một hạt ở trạng thái này nhỏ hơn chiều cao của rào cản, với một xác suất nhất định (gọi là xác suất xuyên thấu hoặc xác suất đào hầm), nó có thể vượt qua phía bên kia của rào cản.
Sự phân tách của các nhóm gần như thoái hóa quay. các trạng thái (còn gọi là cụm quay) cũng là do sự chui hầm của mol. hệ thống giữa một số vùng lân cận. trục quay cố định tương đương. Sự phân chia dao động của electron. trạng thái (rung động) xảy ra trong trường hợp hiệu ứng Jahn-Teller mạnh. Sự phân tách đường hầm cũng liên quan đến sự tồn tại của các dải được hình thành bởi các trạng thái điện tử của từng trạng thái hoặc trạng thái phân tử. các mảnh vỡ định kỳ kết cấu.
2) Hiện tượng chuyển hạt và kích thích cơ bản. Tập hợp hiện tượng này bao gồm các quá trình không cố định mô tả sự chuyển đổi giữa các trạng thái rời rạc và sự phân rã của các trạng thái gần như cố định. Sự chuyển tiếp giữa các trạng thái rời rạc với các hàm sóng được định vị ở các trạng thái khác nhau. tối thiểu một đoạn nhiệt. tiềm năng, tương ứng với nhiều loại hóa chất. r-tions. Hiệu ứng đường hầm luôn đóng góp nhất định vào tốc độ biến đổi, nhưng đóng góp này chỉ có ý nghĩa ở nhiệt độ thấp, khi sự chuyển đổi trên rào cản từ trạng thái ban đầu sang trạng thái cuối cùng khó xảy ra do mật độ năng lượng tương ứng thấp. . Hiệu ứng đường hầm thể hiện ở hành vi phi Arrhenius của vận tốc r-tion;