Ещё

Туннельный эффект (tunnelling effect) 

«— Теперь все ясно, — сказал Кролик, — ты застрял — Все из-за того, — сердито сказал Пух, — что выход слишком узкий! — Нет, все из-за того, что кто-то слишком много ест! — строго сказал Кролик.» А. А. Милн «Винни-Пух и все-все-все» Да, в довольно неприятную ситуацию попал медвежонок Винни-Пух — застрял в узком проходе. Говоря языком физики, он оказался в потенциальной яме — не может сдвинуться ни вперед, ни назад. А вот если б мишка был квантовой частицей, у него появился бы шанс очутиться на свободе без вынужденного недельного голодания. Все дело в том, что в квантовом мире происходит множество удивительных явлений, одним из которых является туннельный эффект. Туннельным эффектом называют преодоление частицей потенциального барьера в случае, когда её энергия (остающаяся при этом неизменной) меньше высоты барьера. Это явление имеет квантовую природу, так как подразумевает собой прохождение частицы сквозь область пространства, пребывание в которой запрещено классической механикой, например, перескок электрона через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два проводника. В классической физике частица не может оказаться в области такого барьера и тем более пройти сквозь него, так как это нарушает закон сохранения энергии. Однако в квантовой физике ситуация принципиально другая. Квантовая частица не движется по какой-либо определенной траектории. Состояние частицы (ее координата и импульс) описывается соответствующей волновой функцией Y, физический смысл которой определяется следующим образом: вероятность нахождения частицы в элементарном объеме D V равна Y 2 D V. Чтобы вычислить вероятность нахождения частицы за потенциальным барьером, необходимо решить уравнение Шрёдингера с учетом непрерывности волновой функции на стенках барьера (рис.1). С увеличением высоты барьера, а также массы частицы, вероятность туннельного эффекта экспоненциально падает, т.е. чем больше квантовый медвежонок Винни-Пух ест, тем меньше у него шансов куда-либо туннелировать. Для качественного понимания туннельного эффекта достаточно лишь вспомнить один из основополагающих законов квантовой физики — принцип неопределенности Гейзенберга, который гласит, что невозможно точно определить положение и импульс частицы одновременно. Таким образом, малая неопределенность координаты частицы (с точностью до толщины барьера) приводит к неопределенности ее импульса, а следовательно, и кинетической энергии. Соответственно, появляется некоторая вероятность прохождения частицы сквозь потенциальный барьер. Туннельный эффект широко встречается в природе, а также успешно используется в современных технологиях. Например, при альфа-распаде радиоактивных ядер тяжелое ядро излучает альфа-частицу, состоящую из двух протонов и двух нейтронов. Частице при отрыве от ядра приходится преодолевать барьер внутриядерных связей. Происходит туннелирование, и мы наблюдаем спонтанное альфа-излучение. Другой важный пример туннельного эффекта — процесс термоядерного синтеза, питающий энергией звезды. Сильное кулоновское отталкивание препятствует сближению ядер дейтерия, однако под воздействием высоких температур и давлений это все же происходит, и начинает действовать туннельный эффект. В результате происходит термоядерный синтез и звезды светят. Наконец, нельзя не упомянуть сканирующий туннельный микроскоп. Принцип его работы основан на измерении туннельного тока, который возникает между поверхностью исследуемого образца и тонкой иглой, расположенной на сверхмалом расстоянии. Когда игла находится непосредственно над атомом, сила туннельного тока возрастает. Таким образом, при помощи туннельного микроскопа удается буквально ощупывать образцы и исследовать атомную структуру поверхности. Другими примерами реализации на практике туннельного эффекта являются сверхпроводящий медицинский томограф со сверхчувствительным датчиком магнитных полей, SQUID –магнетометр и считывающие головки приборов, использующих эффект туннельного магнетосопротивления. Литература Н. Б. Делоне, Туннельный эффект, Соросовский образовательный журнал, т. 6, № 1, 2000. С. Трейман, Этот странный квантовый мир, НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Ижевск, 2002.
Это неполный текст новости
Комментарии
Читайте также
Новости партнеров
Новости партнеров
Больше видео