Туннельный эффект
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Туннельный эффект, туннелирование — преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера. Туннельный эффект — явление исключительно квантовой природы, невозможное в классической механике; аналогом туннельного эффекта в волновой оптике может служить проникновение световой волны внутрь отражающей среды (на расстояния порядка длины световой волны) в условиях, когда, с точки зрения геометрической оптики, происходит полное внутреннее отражение. Явление туннелирования лежит в основе многих важных процессов в атомной и молекулярной физике, в физике атомного ядра, твёрдого тела и т. д.
Содержание |
[править] Теория
Туннельный эффект объясняется квантовой механикой, а именно соотношением неопределённостей. Классическая частица не может находиться внутри потенциального барьера высоты V, если её энергия Е < V, так как кинетическая энергия частицы p2 / 2m = E − V становится при этом отрицательной, а её импульс р — мнимой величиной (m — масса частицы). Однако для микрочастицы этот вывод несправедлив: вследствие соотношения неопределённостей фиксация частицы в пространственной области внутри барьера делает неопределённым её импульс. Поэтому имеется отличная от нуля вероятность обнаружить микрочастицу внутри запрещенной, с точки зрения классической механики, области. Соответственно появляется определённая вероятность прохождения частицы сквозь потенциальный барьер, что и отвечает туннельному эффекту. Эта вероятность тем больше, чем меньше масса частицы, чем уже потенциальный барьер и чем меньше энергии недостаёт частице, чтобы достичь высоты барьера (то есть чем меньше разность V − E).
Вероятность прохождения сквозь барьер представляет собой главный фактор, определяющий физические характеристики туннельного эффекта. В случае одномерного потенциального барьера такой характеристикой служит коэффициент прозрачности барьера, равный отношению потока прошедших сквозь него частиц к падающему на барьер потоку. В случае трёхмерного потенциального барьера, ограничивающего замкнутую область пространства с пониженной потенциальной энергией (потенциальную яму), туннельный эффект характеризуется вероятностью w выхода частицы из этой области в единицу времени; величина w равна произведению частоты колебаний частицы внутри потенциальной ямы на вероятность прохождения сквозь барьер. Возможность «просачивания» наружу частицы, первоначально находившейся в потенциальной яме, приводит к тому, что соответствующие уровни энергии частиц приобретают конечную ширину порядка hw (h — постоянная Планка), а сами эти состояния становятся квазистационарными.
[править] Примеры
Примером проявления туннельного эффекта в атомной физике могут служить процессы автоионизации атома в сильном электрическом поле. В последнее время особенно большое внимание привлекает процесс ионизации атома в поле сильной электромагнитной волны. В ядерной физике туннельный эффект лежит в основе понимания закономерностей альфа-распада радиоактивных ядер: в результате совместного действия короткодействующих ядерных сил притяжения и электростатических (кулоновских) сил отталкивания, α-частице при её выходе из ядра приходится преодолевать трёхмерный потенциальный барьер описанного выше типа (кулоновский барьер). Без туннелирования было бы невозможно протекание термоядерных реакций: кулоновский потенциальный барьер, препятствующий необходимому для синтеза сближению ядер-реагентов, преодолевается частично благодаря высокой скорости (высокой температуре) таких ядер, а частично — благодаря туннельному эффекту.
Особенно многочисленны примеры проявления туннельного эффекта в физике твёрдого тела: автоэлектронная эмиссия электронов из металлов и полупроводников; явления в полупроводниках, помещенных в сильное электрическое поле; миграция валентных электронов в кристаллической решётке; эффекты, возникающие на контакте между двумя сверхпроводниками, разделёнными тонкой плёнкой нормального металла или диэлектрика и т. д.
[править] См. также
- Квантовая механика
- Корпускулярно-волновой дуализм
- Туннельный диод
- Эффект Джозефсона
- Твёрдое тело
- Бета-распад
- Альфа-распад
- К-захват
[править] История и исследователи
В 1928 Георгий Гамов разработал теорию альфа-распада, основанную на туннельном эффекте.
[править] В современной культуре
В эпизоде «Future-drama» телесериала Симпсоны, Гомер и Барт ведут машину через гору, именуемую «Квантовый туннель». Шутка имеет отношение к этому явлению.
[править] Ссылки
 |
Это незавершённая статья по физике. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив её. |
[править] Литература
- Блохинцев Д. И., Основы квантовой механики, 4 изд., М., 1963;
- Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Квантовая механика (нерелятивистская теория). — Издание 3-е, переработанное и дополненное. — М.: Наука, 1974. — 752 с. — («Теоретическая физика», том III).
