Тунелният ефект е в основата. Потенциална бариера. тунелен ефект. Концепцията за тунелния ефект

тунелен ефект
Тунелен ефект

тунелен ефект (тунелиране) - преминаване на частица (или система) през област от пространството, в която престоят е забранен от класическата механика. Най-известният пример за такъв процес е преминаването на частица през потенциална бариера, когато нейната енергия E е по-малка от височината на бариерата U 0 . В класическата физика една частица не може да бъде в зоната на такава бариера, още по-малко да премине през нея, тъй като това нарушава закона за запазване на енергията. В квантовата физика обаче ситуацията е коренно различна. Квантовата частица не се движи по определена траектория. Следователно можем да говорим само за вероятността за намиране на частица в определена област на пространството ΔрΔх > ћ. Въпреки това, нито потенциал, нито кинетична енергиянямат определени стойности в съответствие с принципа на неопределеността. Допуска се отклонение от класическата енергия Е със стойността ΔЕ през времевите интервали t, дадени от съотношението на несигурност ΔЕΔt > ћ (ћ = h/2π, където h е константата на Планк).

Възможността за преминаване на частица през потенциална бариера се дължи на изискването за непрекъсната вълнова функция върху стените на потенциалната бариера. Вероятността за откриване на частица отдясно и отляво е свързана с връзка, която зависи от разликата E - U(x) в областта на потенциалната бариера и от ширината на бариерата x 1 - x 2 при a дадена енергия.

С увеличаването на височината и ширината на бариерата вероятността от тунелния ефект намалява експоненциално. Вероятността от тунелния ефект също намалява бързо с увеличаване на масата на частиците.
Проникването през бариерата е вероятностно. Частица с Е< 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 атомной физики: альфа-распад, холодная эмиссия электронов из металлов, явления в контактном слое двух полупроводников и т.д.

ТУНЕЛЕН ЕФЕКТ(тунелиране) - квантов преход на системата през областта на движение, забранена класическа. механика. Типичен пример за такъв процес е преминаването на частица през потенциална бариеракогато енергията му по-малко от височината на преградата. импулс на частиците Рв този случай се определя от отношението където U(x)- мощен. енергия на частиците ( T- маса) ще бъде в зоната вътре в бариерата, въображаема величина. AT квантова механикаблагодарение на отношение на несигурностмежду импулса и координатата е възможно подбариерно движение. Вълновата функция на частицата в тази област затихва експоненциално, а в полукласическата случай (вж Полукласическо приближение) амплитудата му в точката на излизане от под бариерата е малка.

Едно от постановките на проблема за преминаването на потенциали. бариера съответства на случая, когато постоянен поток от частици пада върху бариерата и е необходимо да се намери стойността на преминалия поток. За такива проблеми се въвежда коефициентът. прозрачност на бариерата (коефициент на преход на тунела) д, равно на съотношението на интензитетите на минали и инцидентни потоци. От обратимостта във времето следва, че коеф. прозрачните фолиа за преходи в посока "напред" и назад са еднакви. В едномерния случай коеф прозрачността може да бъде написана като

интеграцията се извършва върху класически недостъпен регион, х 1,2 - повратни точки, определени от условието При повратните точки в границата на класическата. механика, импулсът на частицата изчезва. Коеф. д 0 изисква за дефинирането си точното решение на квантовата механика. задачи.

При условие на полукласицизъм

през цялата бариера, с изключение на непосредствената квартали на повратни точки х 1.2 коефициент д 0 е малко по-различно от единица. Същества. разлика д 0 от единица може да бъде, например, в случаите, когато потенц. енергията от едната страна на бариерата върви толкова стръмно, че е полукласическа. приближението не е приложимо там или когато енергията е близо до височината на бариерата (т.е. изразът в степента е малък). За правоъгълна височина на бариерата Uоколо и широк акоефициент прозрачността се определя от f-loy
където

Основата на бариерата съответства на нулева енергия. В полукласическия случай дмалък в сравнение с единството.

д-р Изложението на проблема за преминаването на частица през бариера е следното. Нека частицата в началото. момент от време е в състояние близко до т.нар. стационарно състояние, което би се случило с непроницаема бариера (например с бариера, повдигната далеч от потенциална дупкана височина, по-голяма от енергията на излъчената частица). Такова състояние е квазистационарен. Подобно на стационарните състояния, зависимостта на вълновата функция на частица от времето в този случай се дава от фактора Тук сложното количество се явява като енергия д, чиято имагинерна част определя вероятността от разпадане на квазистационарно състояние за единица време поради T. e.:

В полукласическия приближение, дадената вероятност f-loy (3) съдържа експоненциал. фактор от същия тип като in-f-le (1). В случай на сферично симетричен съд. бариера е вероятността от разпадане на квазистационарно състояние от орбити. лопределя се от ф-лой

Тук r 1,2 са радиални въртящи се точки, в които интегрантът е равен на нула. Фактор w 0зависи от характера на движението в класически разрешената част от потенциала, например. той е пропорционален. класически честота на частицата между стените на бариерата.

Т. е. дава възможност да се разбере механизмът на a-разпад на тежки ядра. Между частицата и дъщерното ядро действа електростатично. отблъскване, определено от f-loy На малки разстояния от порядъка на размера аядрата са такива, че еф. потенциал може да се счита за отрицателен: В резултат на това вероятността а-decay се дава от отношението

Тук е енергията на излъчената а-частица.

Т. е. определя възможността за термоядрени реакции в Слънцето и звездите при температури от десетки и стотици милиони градуси (вж. Звездна еволюция), както и в земни условия под формата на термоядрени експлозии или CTS.

В симетричен потенциал, състоящ се от две идентични ямки, разделени от слабо пропусклива бариера, T. e. води до състояния в ямки, което води до слабо двойно разделяне на дискретни енергийни нива (така нареченото инверсионно разделяне; виж по-долу). Молекулярни спектри). За безкраен набор от дупки, периодични в пространството, всяко ниво се превръща в зона от енергии. Това е механизмът за образуване на тясна електронна енергия. зони в кристалите със силно свързване на електрони към местата на решетката.

Ако електрическо се приложи към полупроводников кристал. поле, тогава зоните на разрешените енергии на електроните стават наклонени в пространството. По този начин нивото на пост електронната енергия пресича всички ленти. При тези условия преходът на електрон от една енергия става възможен. зони към друга поради T. e. Класически недостъпният регион в този случай е зоната на забранените енергии. Това явление се нарича Zener тест. Квазикласически приближението съответства тук на малка стойност на електрическата якост. полета. В тази граница се определя основно вероятността за повреда на Zener. експонент, в експонента, разрезът е голям отрицателен. стойност, пропорционална на отношението на ширината на забранената енергия. ленти към енергията, получена от електрон в приложено поле на разстояние, равно на размера на единичната клетка.

Подобен ефект се проявява при тунелни диоди, в които зоните са наклонени поради полупроводници Р- и н- тип от двете страни на границата на техния контакт. Тунелирането се извършва поради факта, че в зоната, през която минава носителят, има крайна плътност на празни състояния.

Благодарение на T. e. електрически възможно. ток между два метала, разделени от тънък диелектрик. преграда. Тези метали могат да бъдат както в нормално, така и в свръхпроводящо състояние. Във втория случай може да има ефект на Джоузефсън.

Т. е. дължат такива явления, възникващи при силна електрическа. полета, като автойонизация на атоми (вж Полева йонизация)и полева емисияот метали. И в двата случая електрически полето образува бариера с ограничена прозрачност. Колкото по-силен е електрическият поле, толкова по-прозрачна е бариерата и толкова по-силен е електронният ток от метала. Въз основа на този принцип сканиращ тунелен микроскоп- устройство, което измерва тунелния ток от различни точки на изследваната повърхност и дава информация за характера на неговата нехомогенност.

Т. е. е възможно не само в квантовите системи, състоящи се от една частица. Например нискотемпературното движение в кристалите може да бъде свързано с тунелирането на крайната част на дислокацията, която се състои от много частици. В такива задачи линейната дислокация може да бъде представена като еластична струна, първоначално разположена по протежение на оста прив един от локалните минимуми на потенциала V(x, y). Този потенциал не зависи от при, а релефът му по оста хе последователност от локални минимуми, всеки от които е под другия с количество в зависимост от механиката, приложена към кристала. . Движението на дислокация под действието на това напрежение се свежда до тунелиране до съседния минимум с определена стойност. сегмент от дислокацията, последвано от издърпване на останалата част от него там. Същият вид тунелен механизъм може да е отговорен за движението вълни на плътност на зарядав Peierls (вж. Преход на Peierls).

За да се изчислят ефектите на тунелиране на такива многомерни квантови системи, е удобно да се използва полукласическият метод. представяне на вълновата функция във формата където С- класически системно действие. За T. e. съществена въображаема част С, което определя затихването на вълновата функция в класически недостъпна област. За изчисляването му се използва методът на сложните траектории.

Квантова частица, която преодолява потенциала. бариера, може да се свърже с термостат. В класическия механика, това съответства на движение с триене. Следователно, за да се опише тунелирането, е необходимо да се включи теория, наречена. разсейващ . Съображения от този вид трябва да се използват, за да се обясни крайният живот на текущите състояния на Джоузефсоновите преходи. В този случай възниква eff тунелиране. квантовите частици през бариерата, а ролята на термостат играят нормалните електрони.

Лит.:Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Квантова механика, 4 изд., М., 1989; Ziman J., Принципи на теорията на твърдото състояние, прев. от английски, 2-ро изд., М., 1974; Баз А. И., Зелдович Я. Б., Переломов А. М., Разсейване, реакции и разпадане в нерелативистката квантова механика, 2-ро изд., М., 1971; Тунелни явления в твърди тела, прев. от английски, М., 1973; Лихарев K.K., Въведение в динамиката на джозефсоновите преходи, Москва, 1985 г. Б. И. Ивлев.

ТУНЕЛЕН ЕФЕКТ, квантов ефект, състоящ се в проникването на квантова частица през област от пространството, в която, според законите на класическия. намирането на частици във физиката е забранено. Класически частица, която има обща енергия E и е в потенциала. поле, може да се намира само в тези области на пространството, в които общата му енергия не надвишава потенциала. енергия U на взаимодействие с полето. Тъй като вълновата функция на квантовата частица е различна от нула в цялото пространство и вероятността за намиране на частица в определен регион на пространството се дава от квадрата на модула на вълновата функция, тогава в забраненото (от гледна точка на от гледна точка на класическата механика) области вълновата функция е различна от нула.

T Ефектът на unnel може удобно да се илюстрира с помощта на моделен проблем на едномерна частица в потенциалното поле U(x) (x е координатата на частицата). В случай на симетричен потенциал на двойна ямка (фиг. a), вълновата функция трябва да се "побира" вътре в ямките, т.е. това е стояща вълна. Дискретна енергия-тич. нивата, които се намират под бариерата, разделяща минимумите на потенциала, образуват близко разположени (почти изродени) двойки. Енергийна разлика. нива, които съставят двойка, т.нар. тунелно разделяне, тази разлика се дължи на факта, че точното решение на проблема (вълновата функция) за всяко от квантовите състояния е делокализирано в двата минимума на потенциала и всички точни решения съответстват на неизродени нива (вижте Израждане на енергия нива). Вероятността за тунелен ефект се определя от коефициента на преминаване през бариерата на вълнов пакет, който описва нестационарното състояние на частица, локализирана в един от минимумите на потенциала.

Потенциални криви енергия U (x) на частицата в случай, когато върху нея действа сила на привличане (a - две потенциални ямки, b - една потенциална яма), и в случай, когато върху частицата действа сила на отблъскване (отблъскващ потенциал, c) . E е общата енергия на частицата, x е координатата. Тънките линии показват вълновите функции.

Потенциално поле с един локален минимум (фиг. b) за частица с енергия E, по-голяма от потенциала на взаимодействие при c =, дискретна енерг. състояния отсъстват, но има набор от квазистационарни състояния, в които относителната е голяма. вероятността за намиране на частица близо до минимума. Вълновите пакети, съответстващи на такива квазистационарни състояния, описват метастабилни квантови състояния; вълновите пакети се размиват и изчезват поради ефекта на тунелиране. Тези състояния се характеризират с продължителност на живота (вероятност за разпад) и енергийна ширина. ниво.

За частица в отблъскващ потенциал (фиг. c), вълновият пакет, описващ нестационарното състояние от едната страна на потенциала. бариера, дори ако енергията на частицата в това състояние е по-малка от височината на бариерата, тя може с определена вероятност (наречена вероятност за проникване или вероятност за тунелиране) да премине от другата страна на бариерата.

Наиб. прояви на тунелния ефект, които са важни за химията: 1) тунелни разделяния на дискретни трептения, въртене. и e-co-lebat. нива. Разделяне на вибрациите. нива в молекулите с няколко. еквивалентни равновесни ядрени конфигурации - това е удвояване на инверсия (в молекули като амоняк), нива на разделяне в молекули с инхибирано вътр. въртене (етан, толуен) или в нетвърди молекули, за които вътрешномолът е приемлив. пренареждания, водещи до еквивалентни равновесни конфигурации (напр. PF 5). Ако разл. еквивалентните минимуми на повърхността на потенциалната енергия са разделени от потенциала. бариери (напр. равновесни конфигурации за десни и леви изомери на сложни молекули), след това адекватно · описание на реалния кей. системи се постига с помощта на локализирани вълнови пакети. В този случай двойка стационарни състояния, делокализирани в два минимума, е нестабилна: под действието на много малки смущения е възможно образуването на две състояния, локализирани в един или друг минимум.

Разделяне на квазиизродени групи на ротация. състояния (така наречените ротационни клъстери) също се дължи на тунелиране според тях. системи между кварталите еквивалентни стационарни оси на въртене. Разделяне на електронно трептене. (вибронни) състояния възникват в случай на силни ефекти на Ян-Телер. Разцепването на тунела също е свързано със съществуването на зони, образувани от електронни състоянияотделни атоми или мол. фрагменти в твърди тела с периодични. структура.

2) Явления на пренос на частици и елементарни възбуждания. Този набор от явления включва нестационарни процеси, които описват преходи между дискретни състояния и разпад на квазистационарни състояния. Преходи между дискретни състояния с вълнови функции, локализирани в разкл. минимуми на една адиабата потенциал, съответстват на различни химикали. р-ции. Тунелният ефект винаги има някакъв принос към p-скоростта, но този принос е значителен само когато ниски температури, когато преходът над бариерата от първоначалното състояние към крайното състояние е малко вероятен поради ниското население на съответните енергийни нива. Тунелният ефект се проявява в не-Арениусовото поведение на скоростта r-tion; типичен пример е растежът на веригата по време на инициирана от радиация полимеризация на твърд формалдехид. Скоростта на този процес при t-re прибл. 140 K се описва задоволително от закона на Арениус с

ТУНЕЛЕН ЕФЕКТ

(тунелиране), преодоляване на потенциална бариера от микрочастица в случай, че тя е пълна (остава при T. e. през по-голямата частнепроменена) е по-малка от височината на преградата. Т. е. по същество е квантов феномен. природа, невъзможна в класиката. механика; аналог на T. e. на вълни. оптиката може да служи като проникване на светлина вътре в отразяващата среда (на разстояния от порядъка на дължината на вълната на светлината) при условия, когато от гледна точка на геом. оптиката става. Т. е. лежи в основата на важни процеси в при. и кея. физика, по физика при. ядра, тв тяло и др.

Т. е. интерпретирани въз основа на (вж. КВАНТОВА МЕХАНИКА). Класически ч-ца не може да е вътре в потенциала. височина бариера V, ако нейната енергия? импулс p - въображаема стойност (m - h-tsy). За микрочастица обаче това заключение е несправедливо: поради връзката на несигурност, фиксирането на p-tsy в пространствата. регионът вътре в бариерата прави нейната инерция несигурна. Следователно има ненулева вероятност за откриване на микрочастица вътре в забранено от гледна точка на класиката. площна механика. Съответно се появява определение. вероятността за преминаване през потенциала. бариера, която съответства на T. e. Тази вероятност е толкова по-голяма, колкото по-малка е масата на p-tsy, толкова по-тясна е силата. бариера и толкова по-малко енергия е необходима за достигане на височината на бариерата (колкото по-малка е разликата V-?). Вероятност за преминаване през бариерата – гл. фактор, който определя физ характеристики T. e. В случай на едномерен потенциал бариера такъв характер е коеф. прозрачност на преградата, равна на съотношението на потока от частици, преминаващи през нея, към потока, падащ върху преградата. В случай на триизмерна бариера, която ограничава затворена зона на pr-va с по-ниска. мощен. енергия (потенциална дупка), T. e. се характеризира с вероятността w на изхода на h-tsy от тази област в единици. време; стойността на w е равна на произведението на честотата на трептене h-tsy вътре в пота. ями върху вероятността за преминаване през бариерата. Възможността за "изтичане" извън wh-tsy, първоначално в потентност. добре, води до факта, че съответните p-z придобиват крайна ширина от порядъка на ћw, а самите те стават квазистационарни.

Пример за проявление на T. e. в при. физиката може да служи като атом в силно електрическо. и йонизация на атом в полето на силна ел.-маг. вълни. Т. е. е в основата на алфа разпада на радиоактивните ядра. Без T.e. би било невъзможно да се осъществят термоядрени реакции: потенциалът на Кулон. бариерата, която предотвратява сближаването на ядрата на реагентите, необходими за синтеза, се преодолява отчасти поради високата скорост (висока температура) на такива ядра и отчасти поради ТЕ. Особено многобройни са примерите за прояви на T. e. по физика на телевизора. тела: полева емисия, явления в контактния слой на границата на две ПП, ефект на Джоузефсон и др.

Физически енциклопедичен речник. - М.: Съветска енциклопедия. . 1983 .

ТУНЕЛЕН ЕФЕКТ

(тунелиране) - системи през зоната на движение, забранена от класиката. механика. Типичен пример за такъв процес е преминаването на частица през потенциална бариера,когато нейната енергия по-малко от височината на преградата. импулс на частиците Рв този случай се определя от отношението където U(x)-мощен. енергия на частиците ( T -маса) ще бъде в района вътре в бариерата, въображаема величина. AT квантова механикаблагодарение на отношение на несигурностмежду импулс и координатна под-бариера се оказва възможна. Вълновата функция на частицата в тази област затихва експоненциално, а в полукласическата случай (вж Полукласическо приближение) амплитудата му в точката на излизане от под бариерата е малка.

Едно от постановките на проблема за преминаването на потенциали. бариера съответства на случая, когато постоянен поток от частици пада върху бариерата и е необходимо да се намери стойността на преминалия поток. За такива проблеми се въвежда коефициентът. прозрачност на бариерата (коефициент на преход на тунела) Д,равно на съотношението на интензитетите на минали и инцидентни потоци. От обратимостта във времето следва, че коеф. прозрачните фолиа за преходи в посока "напред" и назад са еднакви. В едномерния случай коеф прозрачността може да бъде написана като

При условие на полукласицизъм

през цялата бариера, с изключение на непосредствената квартали на повратни точки х 1,2 . коефициент д 0 е малко по-различно от единица. Същества. разлика д 0 от единица може да бъде, например, в случаите, когато потенц. енергията от едната страна на бариерата върви толкова стръмно, че е полукласическа. не е приложимо там или когато енергията е близо до височината на бариерата (т.е. изразът в степента е малък). За правоъгълна височина на бариерата Uоколо и широк акоефициент прозрачността се определя от f-loy
където

Тук r 1,2 са радиални въртящи се точки, в които интегрантът е равен на нула. Фактор w 0зависи от характера на движението в класически разрешената част от потенциала, например. той е пропорционален. класически честота на трептения на частицата между стените на преградата.

Т. е. дава възможност да се разбере механизмът на a-разпад на тежки ядра. Електростатичното действа между -частицата и дъщерното ядро. отблъскване, определено от f-loy На малки разстояния от порядъка на размера аядрата са такива, че еф. може да се счита за отрицателно. В резултат на това вероятността а-разпадането се дава от отношението

Тук е енергията на излъчената а-частица.

Т. е. определя възможността за термоядрени реакции в Слънцето и звездите при температури от десетки и стотици милиони градуси (вж. Звездна еволюция), както и в земни условия под формата на термоядрени експлозии или CTS.

В симетричен потенциал, състоящ се от две идентични ямки, разделени от слабо пропусклива бариера, T. e. води до интерференция на състояния в кладенците, което води до слабо двойно разделяне на дискретни енергийни нива (така нареченото инверсионно разделяне; виж по-долу). Молекулярни спектри).За безкраен набор от дупки, периодични в пространството, всяко ниво се превръща в зона от енергии. Това е механизмът за образуване на тясна електронна енергия. зони в кристалите със силно свързване на електрони към местата на решетката.

Подобен ефект се проявява при тунелни диоди,в които зоните са наклонени поради полупроводници Р-и н- тип от двете страни на границата на техния контакт. Тунелирането се извършва поради факта, че в зоната, през която преминава носителят на заряд, има крайно незаето състояние.

Благодарение на T. e. електрически възможно. между два метала, разделени от тънък диелектрик. преграда. Те могат да бъдат както в нормално, така и в свръхпроводящо състояние. Във втория случай може да има Ефект на Джоузефсън.

Т. е. дължат такива явления, възникващи при силна електрическа. полета, като автойонизация на атоми (вж Полева йонизация)и полева емисияот метали. И в двата случая електрически полето образува бариера с ограничена прозрачност. Колкото по-силен е електрическият поле, толкова по-прозрачна е бариерата и толкова по-силен е електронният ток от метала. Въз основа на този принцип сканиращ тунелен микроскоп -устройство, което измерва тунелния ток от различни точки на изследваната повърхност и дава информация за характера на неговата нехомогенност.

Т. е. е възможно не само в квантовите системи, състоящи се от една частица. Например, нискотемпературното движение на дислокациите в кристалите може да се свърже с тунелирането на крайната част на , която се състои от много частици. В такива задачи линейната дислокация може да бъде представена като еластична струна, първоначално разположена по протежение на оста прив един от локалните минимуми на потенциала V(x, y).Този потенциал не зависи от y,и релефа му по оста хе последователност от локални минимуми, всеки от които е под другия с количество в зависимост от механиката, приложена към кристала. волтаж. Движението на дислокация под действието на това напрежение се свежда до тунелиране до съседния минимум с определена стойност. сегмент от дислокацията, последвано от издърпване на останалата част от него там. Същият вид тунелен механизъм може да е отговорен за движението вълни на плътност на зарядав диелектрик на Peierls (вж преход на Peierls).

За да се изчислят ефектите на тунелиране на такива многомерни квантови системи, е удобно да се използва полукласическият метод. представяне на вълновата функция във формата където С-класически системи. За T. e. съществена въображаема част С,което определя затихването на вълновата функция в класически недостъпната област. За изчисляването му се използва методът на сложните траектории.

Квантова частица, която преодолява потенциала. бариера, може да се свърже с термостат. В класическия механика, това съответства на движение с триене. Следователно, за да се опише тунелирането, е необходимо да се включи теория, наречена. дисипативна квантова механика. Съображения от този вид трябва да се използват, за да се обясни крайният живот на текущите състояния на Джоузефсоновите преходи. В този случай възниква eff тунелиране. квантова частица през бариерата, а ролята на термостат играят електроните.

Лит.:Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Квантовая, 4 изд., М., 1989; Ziman J., Принципи на теорията на твърдото състояние, прев. от английски, 2-ро изд., М., 1974; Баз А. И., Зелдович Я. Б., Переломов А. М., Разсейване, реакции и разпадане в нерелативистката квантова механика, 2-ро изд., М., 1971; Тунелни явления в твърди тела, прев. от английски, М., 1973; Лихарев K.K., Въведение в динамиката на джозефсоновите преходи, Москва, 1985 г. Б. И. Ивлев.

Физическа енциклопедия. В 5 тома. - М.: Съветска енциклопедия. Главен редакторА. М. Прохоров. 1988 .

Вижте какво е "ТУНЕЛЕН ЕФЕКТ" в други речници:

Съвременна енциклопедия

Преминаване през потенциалната бариера на микрочастица, чиято енергия е по-малка от височината на бариерата; квантов ефект, ясно обяснен с разпространението на импулси (и енергии) на частица в бариерната област (виж Принцип на неопределеността). В резултат на тунела ... ... Голям енциклопедичен речник

тунелен ефект- ТУНЕЛЕН ЕФЕКТ, преминаване през потенциална бариера на микрочастица, чиято енергия е по-малка от височината на бариерата; квантов ефект, ясно обяснен с разпространението на импулси (и енергии) на частицата в бариерната област (поради несигурността на принципа) ... Илюстрован енциклопедичен речник

тунелен ефект- — [Я.Н.Лугински, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Английско-руски речник по електротехника и енергетика, Москва, 1999 г.] Теми в електротехниката, основни концепции за EN тунелен ефект ... Наръчник за технически преводач

ТУНЕЛЕН ЕФЕКТ- (тунелиране) квантово-механично явление, което се състои в преодоляване на потенциална микрочастица (виж), когато общата й енергия е по-малка от височината на бариерата. Т. е. обусловени вълнови свойствамикрочастици и влияе върху хода на термоядрените ... ... Голяма политехническа енциклопедия

Квантова механика ... Уикипедия

Физика

Превод

Ще започна с два прости въпроса с доста интуитивни отговори. Да вземем купа и топка (фиг. 1). Ако трябва:

Топката остана неподвижна, след като я поставих в купата и
остана приблизително в същото положение при преместване на купата,

И така, къде да го сложа?

Ориз. един

Разбира се, трябва да го сложа в центъра, най-отдолу. Защо? Интуитивно е ясно, че ако го сложа някъде другаде, ще се търкулне на дъното и ще се мотае тук-там. В резултат на това триенето ще намали височината на окачването и ще го забави.

По принцип можете да опитате да балансирате топката на ръба на купата. Но ако я разклатя малко, топката ще загуби баланс и ще падне. Така че това място не отговаря на втория критерий във въпроса ми.

Нека наречем позицията, в която топката остава неподвижна и от която не се отклонява много с малки движения на купата или топката, "стабилна позиция на топката". Дъното на купата е толкова стабилно.

Друг въпрос. Ако имам две купи, както на фиг. 2, къде ще са стабилните позиции за топката? Това също е просто: има две такива места, а именно на дъното на всяка от купите.

Ориз. 2

И накрая, още един въпрос с интуитивен отговор. Ако поставя топка на дъното на купа 1 и след това изляза от стаята, затворя я, гарантирам, че никой не влиза, проверявам дали на това място няма земетресения или други сътресения, тогава какви са шансовете след десет години , когато отворя отново стаята, ще намеря ли топка на дъното на купа 2? Разбира се, нула. За да може мраморът да се премести от дъното на купа 1 до дъното на купа 2, някой или нещо трябва да вземе мрамора и да го премести от място на място, над ръба на купа 1, към купа 2 и след това над ръба на купа 2. Очевидно топката ще остане на дъното на купа 1.

Очевидно и по същество вярно. И все пак в квантовия свят, в който живеем, нито един обект не остава наистина неподвижен и точната му позиция не е известна. Така че нито един от тези отговори не е 100% правилен.

тунелиране

Ориз. 3

Ако поставя елементарна частица като електрон в магнитен капан (фиг. 3), работещ като купа, опитвайки се да избута електрона към центъра по същия начин, по който гравитацията и стените на купата тласкат топката към центъра на купата на фиг. 1, тогава каква ще бъде стабилната позиция на електрона? Както може да се очаква интуитивно, средната позиция на електрона ще бъде неподвижна само ако е поставен в центъра на капана.

Но квантовата механика добавя един нюанс. Електронът не може да остане неподвижен; позицията му е обект на "квантово трептене". Поради това неговата позиция и движение непрекъснато се променят или дори имат известна доза несигурност (по този начин работи известният „принцип на несигурността“). Само средната позиция на електрона е в центъра на капана; ако погледнете електрона, той ще бъде някъде другаде в капана, близо до центъра, но не съвсем там. Електронът е неподвижен само в този смисъл: той обикновено се движи, но движението му е произволно и тъй като е в капан, средно не се движи никъде.

Малко е странно, но просто отразява факта, че електронът не е това, което мислите, че е, и не се държи като никой от обектите, които сте виждали.

Това, между другото, също гарантира, че електронът не може да бъде балансиран на ръба на капана, за разлика от топката на ръба на купата (както в дъното на фиг. 1). Позицията на електрона не е точно определена, така че не може да бъде точно балансирана; следователно, дори без да се разклати капана, електронът ще загуби баланса си и ще падне почти веднага.

Но това, което е по-странно, е случаят, в който ще имам два капана, отделени един от друг, и ще поставя електрон в един от тях. Да, центърът на един от капаните е добра, стабилна позиция за електрона. Това е така - в смисъл, че електронът може да остане там и да не избяга, ако разклатите капана.

Въпреки това, ако поставя електрон в капан #1 и напусна, затворя стаята и т.н., има известна вероятност (фиг. 4), че когато се върна, електронът ще бъде в капан #2.

Ориз. четири

Как го направи? Ако мислите за електроните като топки, няма да разберете това. Но електроните не изглеждат като топки (или поне не като вашата интуиция за топки) и техният квантов трептене им дава изключително малък, но ненулев шанс за „преминаване през стени“ – привидно невероятна възможност за пътуване до другия страна. Това се нарича тунелиране - но не си мислете, че електронът копае дупка в стената. И никога не можете да го хванете в стената - на червено, така да се каже. Просто стената не е напълно непроницаема за неща като електрони; електроните не могат да бъдат толкова лесно уловени.

Всъщност е още по-лудо: след като това е вярно за електрона, важи и за топка във ваза. Мраморът може да се озове във ваза 2, ако изчакате достатъчно дълго. Но вероятността за това е изключително малка. Толкова малък, че дори да чакате милиард години или дори милиарди милиарди милиарди години, няма да е достатъчно. От практическа гледна точка това „никога“ няма да се случи.

Нашият свят е квантов и всички обекти се състоят от елементарни частици и се подчиняват на правилата квантова физика. Квантовият трептене винаги присъства. Но повечето от обектите, чиято маса е голяма в сравнение с масата на елементарните частици - например топка или дори прашинка - това квантово трептене е твърде малко, за да бъде открито, освен при специално проектирани експерименти. И получената способност за тунелиране през стени също не се наблюдава в обикновения живот.

С други думи: всеки обект може да тунелира през стена, но вероятността за това обикновено е драстично намалена, ако:

Обектът има голяма маса
стената е дебела (голямо разстояние между двете страни),
стената е трудна за преодоляване (необходима е много енергия, за да се пробие стената).

По принцип топката може да преодолее ръба на купата, но на практика това може да не е възможно. Може да бъде лесно за един електрон да избяга от капан, ако капаните са близо и не много дълбоко, но може да бъде много трудно, ако са далеч и много дълбоко.

Какво ще кажете за тунелирането?

Ориз. 5

Или може би това тунелиране е само теория? Абсолютно не. Той е фундаментален за химията, среща се в много материали, играе роля в биологията и е принципът, използван в нашите най-гениални и мощни микроскопи.

За краткост нека се съсредоточа върху микроскопа. На фиг. Фигура 5 показва изображение на атоми, направено със сканиращ тунелен микроскоп. Такъв микроскоп има тясна игла, чийто връх се движи в непосредствена близост до изследвания материал (виж фиг. 6). Материалът и иглата, разбира се, са съставени от атоми; а в задната част на атомите има електрони. Грубо казано, електроните се улавят вътре в изследвания материал или на върха на микроскопа. Но колкото по-близо е върхът до повърхността, толкова по-вероятен е тунелният преход на електрони между тях. Едно просто устройство (поддържа се потенциална разлика между материала и иглата) гарантира, че електроните предпочитат да скочат от повърхността към иглата и този поток е електричествоизмерими. Иглата се движи по повърхността, като повърхността е по-близо или по-далеч от върха и токът се променя - става по-силен с намаляване на разстоянието и по-слаб с увеличаване на разстоянието. Чрез проследяване на тока (или, обратното, преместване на иглата нагоре и надолу, за да се поддържа постоянен ток), докато сканира повърхност, микроскопът прави извод за формата на тази повърхност и често има достатъчно детайли, за да различи отделни атоми.

Ориз. 6

Тунелирането играе много други роли в природата и модерни технологии.

Тунелиране между капани с различна дълбочина

На фиг. 4, имах предвид, че и двата капана са с еднаква дълбочина - точно както и двете купи на фиг. 2 са с еднаква форма. Това означава, че електрон, намиращ се в някой от капаните, прескача към другия със същата вероятност.

Сега да предположим, че един електронен капан на фиг. 4 е по-дълбока от другата - точно както ако една купа на фиг. 2 беше по-дълбоко от другото (виж фиг. 7). Въпреки че един електрон може да тунелира във всяка посока, за него ще бъде много по-лесно да тунелира от по-плитък към по-дълбок капан, отколкото обратното. Съответно, ако изчакаме достатъчно дълго, докато електронът има достатъчно време, за да тунелира в която и да е посока и да се върне, и след това започнем да правим измервания, за да определим местоположението му, най-често ще го открием в дълбок капан. (Всъщност тук има някои нюанси, всичко зависи и от формата на капана). В същото време разликата в дълбочината не трябва да е голяма, за да стане изключително рядко тунелирането от по-дълбок към по-плитък капан.

Накратко, тунелирането обикновено ще се случи и в двете посоки, но вероятността да преминете от плитък капан към дълбок капан е много по-голяма.

Ориз. 7

Именно тази функция се използва в сканиращия тунелен микроскоп, за да се гарантира, че електроните ще се движат само в една посока. Всъщност върхът на иглата на микроскопа е по-дълбок капан от изследваната повърхност, така че електроните предпочитат да тунелират от повърхността към иглата, а не обратното. Но микроскопът ще работи в обратния случай. Капаните се правят по-дълбоки или по-плитки с помощта на източник на енергия, който създава потенциална разлика между иглата и повърхността, което създава разлика в енергията между електроните на иглата и електроните на повърхността. Тъй като е доста лесно да накарате електроните да тунелират в една посока по-често, отколкото в другата, това тунелиране става практически полезно за използване в електрониката.