Festkörperphysik-Tunneleffekt. Quantentunneln. Sehen Sie in anderen Wörterbüchern nach, was der "Tunneleffekt" ist

TUNNEL-EFFEKT

(Tunneln), Überwindung einer Potentialbarriere durch ein Mikropartikel in dem Fall, wenn es vollständig ist (Verbleiben bei T. e. hauptsächlich unverändert) kleiner als die Höhe der Barriere ist. T. e. ist im Wesentlichen ein Quantenphänomen. Natur, im Klassiker unmöglich. Mechanik; Analogon von T. e. in Wellen. Optik kann als Durchdringung von Licht in das reflektierende Medium (in Abständen in der Größenordnung der Lichtwellenlänge) unter Bedingungen dienen, wenn aus Sicht der Geom. Optik geht. T. e. liegt zu Grunde wichtige Prozesse in at. und Seebrücke. Physik, in Physik bei. Kerne, TV Körper usw.

T. e. interpretiert auf der Grundlage von (siehe QUANTENMECHANIK). Klassisch h-tsa kann nicht innerhalb des Potentials liegen. Höhenbarriere V, wenn seine Energie? Impuls p - imaginärer Wert (m - h-tsy). Für ein Mikropartikel ist diese Schlussfolgerung jedoch unfair: aufgrund der Unschärferelation die Fixierung von p-tsy in Räumen. Die Region innerhalb der Barriere macht ihre Dynamik ungewiss. Daher besteht aus Sicht der Klassik eine Wahrscheinlichkeit ungleich Null, ein Mikropartikel innerhalb eines Verbotenen zu entdecken. Bereich Mechanik. Dementsprechend erscheint eine Definition. die Wahrscheinlichkeit, das Potential zu passieren. Barriere, die T. e. Diese Wahrscheinlichkeit ist umso größer, je kleiner die Masse von p-tsy ist, je enger die Potenz ist. Barriere und desto weniger Energie wird benötigt, um die Höhe der Barriere zu erreichen (je kleiner die Differenz V-?). Wahrscheinlichkeit, die Barriere zu passieren - ch. Faktor, der physisch bestimmt Eigenschaften T. e. Bei einem eindimensionalen Potential Barriere ein solches Zeichen ist der Koeffizient. Transparenz der Barriere, gleich dem Verhältnis des Partikelstroms, der sie durchdringt, zu dem Strom, der auf die Barriere fällt. Im Falle einer dreidimensionalen Barriere, die einen geschlossenen Bereich des Pr-va mit niedriger begrenzt. stark. Energie (Potentialloch), T. e. ist durch die Wahrscheinlichkeit w der Ausgabe von h-tsy aus diesem Bereich in Einheiten gekennzeichnet. Zeit; der Wert von w ist gleich dem Produkt der Oszillationsfrequenz h-tsy innerhalb des Topfes. Gruben auf die Wahrscheinlichkeit, die Barriere zu passieren. Die Möglichkeit des „Durchsickerns“ außerhalb des Wh-Tsy, ursprünglich in der Potenz. Nun, führt dazu, dass die entsprechenden p-z eine endliche Breite in der Größenordnung von ћw annehmen und diese selbst quasistationär werden.

Ein Beispiel für die Manifestation von T. e. bei. Physik kann als Atom in einer starken Elektrik dienen. und Ionisation eines Atoms im Bereich einer starken el.-mag. Wellen. T. e. liegt dem Alpha-Zerfall radioaktiver Kerne zugrunde. Ohne T. e. es wäre unmöglich, dass thermonukleare Reaktionen stattfinden: das Coulomb-Potential. Die Barriere, die die für die Synthese notwendige Konvergenz der Reaktantenkerne verhindert, wird teilweise aufgrund der hohen Geschwindigkeit (hohen Temperatur) solcher Kerne und teilweise aufgrund von TE überwunden. Besonders zahlreich sind Beispiele für Manifestationen von T. e. in Fernsehphysik. Körper: Feldemission, Phänomene in der Kontaktschicht an der Grenze zweier PPs, Josephson-Effekt usw.

Physisch Enzyklopädisches Wörterbuch. - M.: Sowjetische Enzyklopädie. . 1983 .

TUNNEL-EFFEKT

(Tunnelbau) - Systeme durch den vom Klassiker verbotenen Bewegungsbereich. Mechanik. Ein typisches Beispiel für einen solchen Vorgang ist der Durchgang eines Partikels durch potenzielle Barriere, wenn ihre Energie kleiner als die Höhe der Barriere. Teilchen Impuls R in diesem Fall bestimmt aus der Relation Wo U(x)- stark. Teilchenenergie ( T - Masse) wäre im Bereich innerhalb der Barriere eine imaginäre Größe. IN Quantenmechanik Dank an Unsicherheitsrelation zwischen Impuls und Koordinaten-Subbarriere als möglich erweist. Die Wellenfunktion des Teilchens in diesem Bereich klingt exponentiell ab, und zwar halbklassisch Fall (vgl Semiklassische Näherung) seine Amplitude am Austrittspunkt unter der Barriere ist klein.

Eine der Problemstellungen zum Durchgang von Potentialen. Barriere entspricht dem Fall, wenn ein stetiger Partikelstrom auf die Barriere fällt und es erforderlich ist, den Wert des durchgelassenen Flusses zu finden. Für solche Probleme wird der Koeffizient eingeführt. Barrieretransparenz (Tunnelübergangskoeffizient) D, gleich dem Verhältnis der Intensitäten der vergangenen und einfallenden Ströme. Aus der zeitlichen Reversibilität folgt, dass der Koeffizient. Transparenzen für Übergänge in "Vorwärts"- und Rückwärtsrichtung sind gleich. Im eindimensionalen Fall der Koeffizient Transparenz kann geschrieben werden als

Integration erfolgt über eine klassisch unzugängliche Region, X 1,2 - aus dem Zustand ermittelte Wendepunkte An den Wendepunkten im Grenzbereich der Klassik. Mechanik verschwindet der Impuls des Teilchens. Coef. D 0 erfordert zu seiner Definition die exakte Lösung der Quantenmechanik. Aufgaben.

Unter der Bedingung der Semiklassizität

in der gesamten Barriere, mit Ausnahme der unmittelbaren Stadtteile von Wendepunkten X 1,2 . Koeffizient D 0 unterscheidet sich geringfügig von Eins. Kreaturen. Unterschied D 0 von Eins kann z. B. in Fällen sein, in denen die potenc. Energie von einer Seite der Barriere geht so steil, dass sie halbklassisch ist. dort nicht anwendbar, oder wenn die Energie nahe an der Barrierenhöhe liegt (d. h. der Ausdruck im Exponenten klein ist). Für eine rechteckige Barrierenhöhe U rund und breit A Koeffizient transparenz wird durch f-loy bestimmt
Wo

Die Basis der Barriere entspricht der Nullenergie. In der Halbklassik Fall D klein im Vergleich zur Einheit.

DR. Die Formulierung des Problems des Durchgangs eines Teilchens durch eine Barriere lautet wie folgt. Lassen Sie das Teilchen am Anfang. Moment der Zeit befindet sich in einem Zustand nahe dem sogenannten. stationären Zustand, der bei einer undurchdringlichen Barriere eingetreten wäre (z potenzielles Loch auf eine Höhe größer als die Energie des emittierten Teilchens). Ein solcher Zustand ist quasi stationär. Ähnlich wie bei stationären Zuständen ist hier die Abhängigkeit der Wellenfunktion eines Teilchens von der Zeit durch den Faktor gegeben Hier erscheint die komplexe Größe als Energie E, dessen Imaginärteil die Zerfallswahrscheinlichkeit eines quasistationären Zustands pro Zeiteinheit aufgrund von T. e. bestimmt:

In der Halbklassik Annäherung, die Wahrscheinlichkeit f-loy (3), enthält Exponential. ein Faktor vom gleichen Typ wie in-f-le (1). Im Falle eines kugelsymmetrischen Topfes. Barriere ist die Wahrscheinlichkeit des Zerfalls eines quasistationären Zustands von Umlaufbahnen. Quantenzahl l bestimmt von f-loy

Hier R 1,2 sind radiale Wendepunkte, deren Integrand gleich Null ist. Faktor w 0 hängt zum Beispiel von der Art der Bewegung im klassisch erlaubten Teil des Potentials ab. er ist verhältnismäßig. klassisch Frequenz der Schwingungen des Teilchens zwischen den Wänden der Barriere.

T. e. ermöglicht es, den Mechanismus des a-Zerfalls schwerer Kerne zu verstehen. Elektrostatische Wirkungen zwischen dem -Teilchen und dem Tochterkern. Abstoßung bestimmt durch f-loy Bei kleinen Entfernungen in der Größenordnung von Größe A die Kerne sind so, dass eff. kann als negativ gewertet werden. Als Ergebnis die Wahrscheinlichkeit A-Zerfall ist durch die Beziehung gegeben

Hier ist die Energie des emittierten a-Teilchens.

T. e. bestimmt die Möglichkeit thermonuklearer Reaktionen in der Sonne und den Sternen bei Temperaturen von zehn und hundert Millionen Grad (vgl. Sternenentwicklung), sowie unter terrestrischen Bedingungen in Form von thermonuklearen Explosionen oder CTS.

In einem symmetrischen Potential, das aus zwei identischen Vertiefungen besteht, die durch eine schwach durchlässige Barriere getrennt sind, T. e. führt zu einer Interferenz von Zuständen in den Wannen, was zu einer schwachen doppelten Aufspaltung diskreter Energieniveaus führt (die sogenannte Inversionsaufspaltung; siehe unten). Molekülspektren). Für eine unendliche Reihe von Löchern, die periodisch im Raum angeordnet sind, verwandelt sich jede Ebene in eine Energiezone. Dies ist der Mechanismus für die Bildung schmaler elektronischer Energie. Zonen in Kristallen mit starker Bindung von Elektronen an Gitterplätze.

Wenn ein elektrischer Strom an einen Halbleiterkristall angelegt wird. Feld, dann werden die Zonen erlaubter Elektronenenergien im Raum geneigt. Also die Pfostenebene Elektronenenergie durchquert alle Bänder. Unter diesen Bedingungen wird der Übergang eines Elektrons von einer Energie möglich. Zonen zu einer anderen aufgrund von T. e. Der klassisch unzugängliche Bereich ist in diesem Fall die Zone der verbotenen Energien. Dieses Phänomen heißt Zener-Test. Quasiklassisch die Annäherung entspricht hier einem kleinen Wert der Spannungsfestigkeit. Felder. In dieser Grenze wird hauptsächlich die Zener-Durchbruchwahrscheinlichkeit bestimmt. Exponent, im Exponenten ist ein Schnitt ein großes Negativ. ein Wert proportional zum Verhältnis der Breite der verbotenen Energie. Bänder zur Energie, die von einem Elektron in einem angelegten Feld in einem Abstand gleich der Größe der Einheitszelle gewonnen wird.

Ein ähnlicher Effekt zeigt sich in Tunneldioden, bei denen die Zonen durch Halbleiter geneigt sind R- Und N-Typ auf beiden Seiten der Grenze ihres Kontakts. Das Tunneln erfolgt aufgrund der Tatsache, dass in der Zone, in der der Ladungsträger passiert, ein endlicher unbesetzter Zustand vorliegt.

Danke an T. e. elektrisch möglich. zwischen zwei Metallen, die durch ein dünnes Dielektrikum getrennt sind. Partition. Diese können sich sowohl im normalen als auch im supraleitenden Zustand befinden. Im letzteren Fall kann es sein Josephson-Effekt.

T. e. verdanken solche Phänomene in starken elektrischen auftreten. Felder, wie die Autoionisation von Atomen (vgl Feldionisation)Und Feldemission aus Metallen. In beiden Fällen elektrisch das Feld bildet eine Barriere endlicher Transparenz. Je stärker die elektr Feld, desto transparenter die Barriere und desto stärker der Elektronenstrom aus dem Metall. Basierend auf diesem Prinzip Rastertunnelmikroskop - ein Gerät, das den Tunnelstrom von verschiedenen Punkten der zu untersuchenden Oberfläche misst und Informationen über die Art seiner Inhomogenität liefert.

T. e. ist nicht nur in Quantensystemen möglich, die aus einem Teilchen bestehen. Beispielsweise kann die Tieftemperaturbewegung von Versetzungen in Kristallen mit dem Tunneln des letzten Teils von in Verbindung gebracht werden, der aus vielen Teilchen besteht. Bei solchen Problemen kann eine lineare Versetzung als eine elastische Schnur dargestellt werden, die anfänglich entlang der Achse liegt bei in einem der lokalen Minima des Potentials V(x,y). Dieses Potenzial hängt nicht von ab y, und sein Relief entlang der Achse X ist eine Folge lokaler Minima, von denen jedes um einen Betrag unter dem anderen liegt, der von der auf den Kristall ausgeübten Mechanik abhängt. Stromspannung. Die Bewegung einer Versetzung unter Einwirkung dieser Spannung wird auf Tunneln bis zum benachbarten Minimum eines bestimmten Wertes reduziert. Segment der Luxation, gefolgt vom Ziehen des Restes dorthin. Die gleiche Art von Tunnelmechanismus kann für die Bewegung verantwortlich sein Wellen der Ladungsdichte in einem Peierls-Dielektrikum (vgl Peierls-Übergang).

Um die Tunneleffekte solcher mehrdimensionaler Quantensysteme zu berechnen, ist es zweckmäßig, die semiklassische Methode zu verwenden. Darstellung der Wellenfunktion in der Form Wo S- klassisch Systeme. Für T. e. wesentlicher Imaginärteil S, die die Dämpfung der Wellenfunktion im klassisch unzugänglichen Bereich bestimmt. Zur Berechnung wird die Methode der komplexen Trajektorien verwendet.

Ein Quantenteilchen, das das Potential überwindet. Barriere, kann an einen Thermostat angeschlossen werden. Im Klassiker Mechanik entspricht dies einer Bewegung mit Reibung. Um das Tunneln zu beschreiben, ist es daher notwendig, eine Theorie mit einzubeziehen, die als bezeichnet wird. Dissipative Quantenmechanik. Überlegungen dieser Art müssen herangezogen werden, um die endliche Lebensdauer der aktuellen Zustände der Josephson-Kontakte zu erklären. In diesem Fall tritt Eff-Tunneln auf. Quantenteilchen durch die Barriere, und die Rolle des Thermostats wird von Elektronen gespielt.

Zündete.: Landau L.D., Lifshits E.M., Kvantovaya, 4. Aufl., M., 1989; Ziman, J., Prinzipien der Theorie Festkörper, pro. aus dem Englischen, 2. Aufl., M., 1974; Baz A. I., Zeldovich Ya. B., Perelomov A. M., Scattering, Reaktionen und Zerfälle in nichtrelativistischer Quantenmechanik, 2. Aufl., M., 1971; Tunnelphänomene in Festkörpern, übers. aus Englisch, M., 1973; Likharev K.K., Introduction to the dynamics of Josephson junctions, Moskau, 1985. B. I. Ivlev.

Physische Enzyklopädie. In 5 Bänden. - M.: Sowjetische Enzyklopädie. Chefredakteur A. M. Prochorow. 1988 .

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Moderne Enzyklopädie

Durchgang durch die Potentialbarriere eines Mikropartikels, dessen Energie kleiner ist als die Höhe der Barriere; Quanteneffekt, eindeutig erklärt durch die Ausbreitung von Impulsen (und Energien) eines Teilchens im Barrierenbereich (siehe Unbestimmtheitsprinzip). Als Ergebnis des Tunnels ... ... Großes enzyklopädisches Wörterbuch

Tunneleffekt- TUNNEL-EFFEKT, Durchgang durch eine Potentialbarriere eines Mikropartikels, dessen Energie geringer ist als die Höhe der Barriere; Quanteneffekt, eindeutig erklärt durch die Ausbreitung von Impulsen (und Energien) des Teilchens im Barrierenbereich (aufgrund der Unsicherheit des Prinzips) ... Illustriertes enzyklopädisches Wörterbuch

Tunneleffekt- — [Ya. N. Luginsky, M. S. Fezi Zhilinskaya, Yu. S. Kabirov. Englisch-Russisches Wörterbuch der Elektrotechnik und Energiewirtschaft, Moskau, 1999] Themen der Elektrotechnik, Grundbegriffe des EN-Tunneleffekts ... Handbuch für technische Übersetzer

TUNNEL-EFFEKT- (Tunneln) ein quantenmechanisches Phänomen, das darin besteht, ein potentielles Mikroteilchen (siehe) zu überwinden, wenn seine Gesamtenergie kleiner als die Höhe der Barriere ist. T. e. aufgrund der Welleneigenschaften von Mikropartikeln und beeinflusst den Verlauf von thermonuklearen ... ... Große polytechnische Enzyklopädie

Quantenmechanik ... Wikipedia

Quantentunneln. Es ist unwahrscheinlich, dass Sie versucht haben, zu Hause durch die Wände zu gehen, aber wenn Sie es getan haben, sind Sie wahrscheinlich davon überzeugt, dass dies nicht möglich ist. Es gibt jedoch subatomare Teilchen, die ähnliche Eigenschaften und Prozesse wie beim Quantentunneln zeigen.

Ein Team von Physikern sagt, dass es möglich ist, Quantentunneln zu beobachten, aber mit größeren, von Menschen geschaffenen Objekten. Natürlich wird diese Theorie in den Augen anderer Menschen auf große Probleme stoßen.

Tunnelübergang, Tunneleffekt - quantenmechanischer Effekt des Durchgangs durch den klassischen Energiezustand (Energiebarriere). Der Prozess ist wie das Durchqueren eines Tunnels, weshalb er als Tunneln bezeichnet wird. Es gibt kein Analogon in der klassischen Mechanik.

Wenn das Experiment mit größeren Objekten gelingt, wird es zu einer verblüffenden Entdeckung in der heute so populären Quantenmechanik und damit verwandten Quantensystemen führen. Im Jahr 2010 initiierte eine Gruppe von Physikern ein Experiment, das es schaffte, ein mikroskopisch kleines Objekt in einen Zustand zu bringen, der nur mithilfe der Quantenmechanik erklärt werden kann. Eine bemerkenswerte Regel in der Quantenmechanik ist, dass ein kleines Objekt Energie absorbieren kann, aber nur in begrenzten Mengen oder Quanten, und buchstäblich an zwei Orten gleichzeitig sein kann.

Diese großartigen Prinzipien wurden in Experimenten mit Elektronen, Photonen, Atomen und Molekülen vollständig bewiesen. Ironischerweise haben Physiker noch nie solch seltsame quantenmechanische Effekte in der Bewegung eines mechanischen Geräts gesehen. Jetzt haben Andrew Cleland, John Martinis und andere Kollegen von der University of California, Santa Barbara, ein Projekt mit einem mechanischen Gerät gestartet, das die Grundregeln der Quantenmechanik erfolgreich befolgt. Wenn das Tunnelexperiment gelingt, wird es eine viel überraschendere Entdeckung sein.

Wie funktioniert Tunnelbau? Stellen Sie sich zum Beispiel vor, dass ein Elektron wie ein Kieselstein aussieht und sich in einer von zwei Rillen befindet, die durch einen Hügel getrennt sind, was wiederum einen ähnlichen Effekt wie ein elektrisches Feld erzeugt. Um das Feld von einer Rille zur anderen zu überqueren, muss der Stein genügend Energie haben. Wenn sehr wenig Energie vorhanden ist, sagt die klassische Physik, dass sich der Stein überhaupt nicht bewegt.

Ja, aber mikroskopisch kleine Teilchen wie Elektronen schafften es mit einem Minimum an Energie, die Erhebung zu passieren. Die Quantenmechanik erklärt diese Teilchen als längliche Wellen, und es stellt sich heraus, dass es möglich ist, dass mindestens eines von ihnen den „Tunnel“ auf dem Hügel passiert und auf der anderen Seite materialisiert. Aber selbst wenn es gelingt, kann das Elektron nicht allzu weit zwischen den Rillen „wandern“.

Eine solche Theorie erscheint unplausibel, aber Wissenschaftler und Ingenieure haben eindeutig Quantentunneln mit Halbleitern demonstriert, durch das Elektronen erfolgreich in nichtleitenden Materialschichten hindurchgegangen sind. Tatsächlich verlassen sich einige Arten von magnetischen Festplatten auf das Tunneln, um Daten zu lesen. Allerdings hat noch niemand bewiesen, dass Objekte, die mit bloßem Auge sichtbar sind, jede Art von Barriere passieren können.

Eine Gruppe finnischer Kollegen sagt, es sei möglich, diesen Prozess mit einem winzigen Gerät zu replizieren, das wie ein Sprungbrett aus Graphen aussieht, einer sehr starken und flexiblen Kohlenstoffschicht mit einer Dicke von einem Atom. Sie werden an einer Membran aufgehängt, die klein, aber viel größer als die Atome und Moleküle selbst auf einer Metalloberfläche sein wird. Wenn die Moderatoren dieses Experiments elektrische Spannung anlegen, nimmt die Membran zwei Hauptpositionen ein: In der einen wölbt sie sich in der Mitte leicht, in der anderen biegt sie sich so weit, dass sie Kontakt mit der Metalloberfläche herstellt.
In diesem Experiment bewirken Elektrizität und Mechanik, dass die Membran zwischen diesen beiden Positionen eine Energiebarriere bildet. Wenn es den Wissenschaftlern gelingt, die Energie der Membran zu reduzieren, sie auf weniger als 1.000 Grad über Null abzukühlen, dann wäre die einzige Möglichkeit, etwas durch sie zu übertragen, Quantentunneln.
Erst wenn dies gelingt, können Wissenschaftler Änderungen in der Konfiguration der Membran untersuchen und versuchen, mögliche Änderungen des Potenzials des Systems zu verfolgen, insofern wie gut es speichern kann elektrische Aufladungen. „Um einen Weg zu finden, diese niedrige Temperatur zu erreichen, brauchen wir ein paar Jahre, aber das Team arbeitet weiter an diesem Projekt.“

Quantentunneln ist wie der Heilige Gral, den Wissenschaftler in diesem Experiment zu finden versuchen, nicht so einfach. Warum also nicht Quantentunneln verwenden, um durch die Wand zu kommen? Leider zeigen quantenmechanische Berechnungen, dass für etwas so Großes wie einen Menschen die Wahrscheinlichkeit so gering ist, dass man nicht bis zum Ende des Universums warten kann und wahrscheinlich nicht auf der anderen Seite landen wird.

Wir warten auf Briefe über die Geheimnisse unseres Planeten, UFOs und vergangene Zivilisationen, die Geheimnisse des Universums, das Unbekannte und Unglaubliche.

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Kann der Ball durch die Wand fliegen, sodass die Wand unzerstört stehen bleibt und sich die Energie des Balls nicht ändert? Natürlich nicht, die Antwort liegt nahe, das passiert im Leben nicht. Um durch die Wand zu fliegen, muss der Ball genug Energie haben, um sie zu durchbrechen. Wenn der Ball in der Vertiefung über den Hügel rollen soll, muss er auf die gleiche Weise über eine Energiezufuhr informiert werden, die ausreicht, um die Potentialbarriere zu überwinden - die Differenz zwischen den potentiellen Energien des Balls an der oben und in der Mulde. Körper, deren Bewegung durch die Gesetze der klassischen Mechanik beschrieben wird, überwinden die Potentialbarriere nur dann, wenn ihre Gesamtenergie größer ist als der Wert der maximalen potentiellen Energie.

Aber was ist mit dem Mikrokosmos? Mikropartikel gehorchen den Gesetzen der Quantenmechanik. Sie bewegen sich nicht auf bestimmten Bahnen, sondern werden wie eine Welle im Raum „verschmiert“. Diese Welleneigenschaften Mikropartikel führen zu unerwarteten Phänomenen, und das vielleicht überraschendste unter ihnen ist der Tunneleffekt.

Es stellt sich heraus, dass in der Mikrowelt die "Mauer" an Ort und Stelle bleiben kann und das Elektron durch sie hindurchfliegt, als wäre nichts passiert.

Mikropartikel überwinden die Potentialbarriere, auch wenn ihre Energie kleiner als ihre Höhe ist.

Eine Potentialbarriere in der Mikrowelt wird oft durch elektrische Kräfte erzeugt, und zum ersten Mal trat dieses Phänomen auf, als Atomkerne mit geladenen Teilchen bestrahlt wurden. Für ein positiv geladenes Teilchen, zB ein Proton, ist es unvorteilhaft, sich dem Kern zu nähern, da zwischen Proton und Kern gesetzmäßig abstoßende Kräfte wirken. Um das Proton näher an den Kern zu bringen, muss also Arbeit geleistet werden; Der Graph der potentiellen Energie hat die in Abb. 1 gezeigte Form. 1. Zwar reicht es aus, wenn sich ein Proton dem Kern nähert (im Abstand von cm), da sofort starke nukleare Anziehungskräfte wirken (starke Wechselwirkung) und es vom Kern eingefangen wird. Aber Sie müssen sich zuerst nähern, die potenzielle Barriere überwinden.

Und es stellte sich heraus, dass das Proton dazu in der Lage ist, selbst wenn seine Energie E kleiner als die Barrierenhöhe ist. Wie immer in der Quantenmechanik kann nicht mit Sicherheit gesagt werden, dass das Proton den Kern durchdringen wird. Aber es gibt eine gewisse Wahrscheinlichkeit für einen solchen Tunneldurchgang der Potentialbarriere. Diese Wahrscheinlichkeit ist umso größer, je kleiner der Energieunterschied und je kleiner die Masse des Teilchens ist (außerdem ist die Abhängigkeit der Wahrscheinlichkeit von der Größe sehr stark - exponentiell).

Basierend auf der Idee des Tunnelbaus entdeckten D. Cockcroft und E. Walton 1932 am Cavendish Laboratory die künstliche Kernspaltung. Sie bauten den ersten Beschleuniger, und obwohl die Energie der beschleunigten Protonen nicht ausreichte, um die Potentialbarriere zu überwinden, drangen die Protonen durch den Tunneleffekt dennoch in den Kern ein und lösten eine Kernreaktion aus. Tunneleffekt erklärte auch das Phänomen des Alpha-Zerfalls.

Der Tunneleffekt hat wichtige Anwendungen in der Festkörperphysik und Elektronik gefunden.

Stellen Sie sich vor, dass ein Metallfilm auf einer Glasplatte (Substrat) abgeschieden wurde (normalerweise wird er durch Sputtern des Metalls im Vakuum erhalten). Dann wurde es oxidiert, wodurch eine dielektrische (Oxid-)Schicht auf der Oberfläche entstand, die nur wenige zehn Angström dick war. Und wieder mit einer Metallfolie bedeckt. Das Ergebnis ist das sogenannte „Sandwich“ (wörtlich: das englisches Wort zwei Brotstücke genannt, zum Beispiel mit Käse dazwischen) oder mit anderen Worten Tunnelkontakt.

Können sich Elektronen von einem Metallfilm zum anderen bewegen? Es scheint nicht - sie werden durch eine dielektrische Schicht behindert. Auf Abb. 2 zeigt ein Diagramm der Abhängigkeit der potentiellen Energie eines Elektrons von der Koordinate. In einem Metall bewegt sich ein Elektron frei und seine potentielle Energie ist Null. Um in ein Dielektrikum einzudringen, muss die Austrittsarbeit geleistet werden, die größer ist als die kinetische (und damit Gesamt-) Energie des Elektrons.

Daher werden Elektronen in Metallfilmen durch eine Potentialbarriere getrennt, deren Höhe beträgt.

Würden Elektronen den Gesetzen der klassischen Mechanik gehorchen, wäre eine solche Barriere für sie unüberwindbar. Aber aufgrund des Tunneleffekts können Elektronen mit einiger Wahrscheinlichkeit durch das Dielektrikum von einem Metallfilm zum anderen dringen. Daher ist ein dünner dielektrischer Film für Elektronen durchlässig – durch ihn kann der sogenannte Tunnelstrom fließen. Der Gesamttunnelstrom ist jedoch gleich Null: Wie viele Elektronen gehen vom unteren Metallfilm zum oberen, die gleiche Anzahl geht im Durchschnitt dagegen vom oberen Film zum unteren.

Wie kann man den Tunnelstrom von Null unterscheiden? Dazu ist es notwendig, die Symmetrie zu brechen, beispielsweise Metallfilme an eine Quelle mit der Spannung U anzuschließen. Dann spielen die Filme die Rolle von Kondensatorplatten, und in der dielektrischen Schicht tritt ein elektrisches Feld auf. In diesem Fall können Elektronen aus dem oberen Film die Barriere leichter überwinden als Elektronen aus dem unteren Film. Dadurch tritt selbst bei niedrigen Source-Spannungen ein Tunnelstrom auf. Tunnelkontakte ermöglichen die Untersuchung der Eigenschaften von Elektronen in Metallen und werden auch in der Elektronik eingesetzt.

Tunneleffekt
Tunneleffekt

Tunneleffekt (Tunneln) - der Durchgang eines Teilchens (oder Systems) durch einen Raumbereich, in dem der Aufenthalt durch die klassische Mechanik verboten ist. Das bekannteste Beispiel für einen solchen Vorgang ist der Durchgang eines Teilchens durch eine Potentialbarriere, wenn seine Energie E kleiner als die Barrierenhöhe U 0 ist. In der klassischen Physik kann sich ein Teilchen nicht im Bereich einer solchen Barriere befinden, geschweige denn passieren, da dies gegen den Energieerhaltungssatz verstößt. In der Quantenphysik ist die Situation jedoch grundlegend anders. Ein Quantenteilchen bewegt sich auf keiner bestimmten Bahn. Daher können wir nur über die Wahrscheinlichkeit sprechen, ein Teilchen in einem bestimmten Raumbereich ΔрΔх zu finden > ћ. Allerdings weder Potenzial noch kinetische Energie haben keine bestimmten Werte gemäß der Unschärferelation. Sie darf während der durch die Unschärferelation ΔμΔt gegebenen Zeitintervalle t um den Wert Δμ von der klassischen Energie μ abweichen > ћ (ћ = h/2π, wobei h die Plancksche Konstante ist).

Die Möglichkeit, dass ein Teilchen eine Potentialbarriere passiert, beruht auf der Anforderung einer kontinuierlichen Wellenfunktion an den Wänden der Potentialbarriere. Die Wahrscheinlichkeit, rechts und links ein Teilchen zu entdecken, hängt von einer Beziehung ab, die von der Differenz E - U(x) im Bereich der Potentialbarriere und von der Breite der Barriere x 1 - x 2 bei a abhängt gegebene Energie.

Mit zunehmender Höhe und Breite der Barriere nimmt die Wahrscheinlichkeit des Tunneleffekts exponentiell ab. Auch die Wahrscheinlichkeit des Tunneleffekts nimmt mit zunehmender Partikelmasse schnell ab.
Das Eindringen durch die Barriere ist wahrscheinlichkeitstheoretisch. Teilchen mit E< 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.