Бөмбөлөг ханан дундуур нисч, хана нь эвдэрч гэмтээгүй, бөмбөгний энерги өөрчлөгдөхгүй байж чадах уу? Мэдээжийн хэрэг үгүй, энэ нь амьдралд тохиолддоггүй гэсэн хариултыг харуулж байна. Бөмбөг хана дундуур нисэхийн тулд түүнийг нэвтлэх хангалттай энергитэй байх ёстой. Үүний нэгэн адил, хэрэв та хөндий дэх бөмбөгийг толгод дээгүүр өнхрүүлэхийг хүсч байвал түүнийг боломжит саадыг даван туулахад хангалттай эрчим хүчний хангамжийг хангах хэрэгтэй - бөмбөгний дээд ба доторх боломжит энергийн ялгаа. хөндий. Хөдөлгөөнийг сонгодог механикийн хуулиар тодорхойлсон биетүүд хамгийн их боломжит энергиэс илүү нийт энергитэй байх үед л боломжит саадыг давдаг.

Бичил ертөнцөд хэрхэн өрнөж байна вэ? Бичил бөөмс нь квант механикийн хуулиудад захирагддаг. Тэд тодорхой чиглэлийн дагуу хөдөлдөггүй, харин долгион шиг орон зайд "үрхсэн" байдаг. Микробөөмийн эдгээр долгионы шинж чанарууд нь гэнэтийн үзэгдлүүдэд хүргэдэг бөгөөд тэдгээрийн дотроос хамгийн гайхалтай нь хонгилын эффект юм.

Бичил ертөнцөд "хана" байрандаа үлдэж, электрон юу ч болоогүй юм шиг түүгээр нисдэг болох нь харагдаж байна.

Бичил хэсгүүд нь энерги нь өндрөөсөө бага байсан ч боломжит саадыг даван туулдаг.

Бичил ертөнц дэх боломжит саад тотгорыг ихэвчлэн цахилгаан хүч үүсгэдэг бөгөөд атомын цөмийг цэнэглэгдсэн бөөмсөөр цацрагаар цацах үед энэ үзэгдэл анх тохиолдсон. Протон гэх мэт эерэг цэнэгтэй бөөмс цөмд ойртох нь тааламжгүй байдаг, учир нь хуулийн дагуу протон ба цөмийн хооронд түлхэх хүч үйлчилдэг. Тиймээс протоныг цөмд ойртуулахын тулд ажил хийх ёстой; Боломжит энергийн график нь Зураг дээр үзүүлсэн шиг харагдаж байна. 1. Үнэн, протон цөмд ойртоход хангалттай (см-ийн зайд), хүчирхэг цөмийн таталцлын хүч (хүчтэй харилцан үйлчлэл) тэр даруйд орж, цөмд баригддаг. Гэхдээ та эхлээд ойртож, болзошгүй саад бэрхшээлийг даван туулах хэрэгтэй.

Протон нь түүний энерги E нь саадны өндрөөс бага байсан ч үүнийг хийж чадна. Квант механикийн нэгэн адил протон цөмд нэвтэрнэ гэж баттай хэлэх боломжгүй юм. Гэхдээ боломжит саадыг ийм хонгилоор нэвтрүүлэх тодорхой магадлал бий. Энэ магадлал их байх тусам энергийн ялгаа бага байх тусам бөөмийн масс бага байх болно (мөн магадлалын хэмжээнээс хамаарах хамаарал нь маш хурц - экспоненциал юм).

Хонгил нээх санаан дээр үндэслэн Д.Коккрофт, Э.Уолтон нар 1932 онд Кавендишийн лабораторид цөмийн хиймэл хуваагдлыг нээжээ. Тэд анхны хурдасгуурыг бүтээсэн бөгөөд хурдасгасан протонуудын энерги нь боломжит саадыг даван туулахад хангалтгүй байсан ч протонууд туннелийн эффектийн ачаар цөмд нэвтэрч, цөмийн урвал үүсгэсэн. Мөн хонгилын нөлөө нь альфа задралын үзэгдлийг тайлбарлав.

Тунелийн эффект нь хатуу төлөвт физик, электроникийн чухал хэрэглээг олсон.

Металл хальсыг шилэн хавтан (субстрат) дээр түрхэж байна гэж төсөөлөөд үз дээ (ихэвчлэн үүнийг вакуум дахь металыг хуримтлуулах замаар олж авдаг). Дараа нь исэлдэж, гадаргуу дээр хэдхэн арван ангстромын зузаантай диэлектрик (оксид) давхарга үүсгэв. Тэгээд дахин тэд үүнийг металл хальсаар бүрхэв. Үр дүн нь "сэндвич" гэж нэрлэгддэг (энэ англи үг нь хоёр ширхэг талх, жишээлбэл, тэдгээрийн хооронд бяслагтай) эсвэл өөрөөр хэлбэл хонгилын холбоо болно.

Электронууд нэг металл хальснаас нөгөөд шилжиж чадах уу? Энэ нь тийм биш юм шиг санагдаж байна - диэлектрик давхарга нь тэдэнд саад болдог. Зураг дээр. 2-р зурагт электрон потенциал энергийн координатаас хамаарах хамаарлын графикийг үзүүлэв. Металд электрон чөлөөтэй хөдөлж, потенциал энерги нь тэг байна. Диэлектрик руу орохын тулд ажлын функцийг гүйцэтгэх шаардлагатай бөгөөд энэ нь электроны кинетик (тиймээс нийт) энергиээс их байдаг.

Тиймээс металл хальсан дахь электронууд нь өндөр нь -тэй тэнцүү потенциал саадаар тусгаарлагддаг.

Хэрэв электронууд сонгодог механикийн хуулийг дагаж мөрдвөл ийм саад бэрхшээлийг даван туулах боломжгүй болно. Гэхдээ туннелийн эффектийн улмаас электронууд диэлектрикоор нэг металл хальснаас нөгөөд нэвтэрч чаддаг. Тиймээс нимгэн диэлектрик хальс нь электронуудыг нэвчүүлэх чадвартай болж хувирдаг - хонгилын гүйдэл гэж нэрлэгддэг гүйдэл дамжин урсаж болно. Гэсэн хэдий ч хонгилын нийт гүйдэл тэг байна: доод металлын хальснаас дээд давхарга руу шилжих электронуудын тоо дунджаар ижил тоо, эсрэгээр дээд хальснаас доод хэсэг рүү шилждэг.

Бид хонгилын гүйдлийг тэгээс хэрхэн өөр болгох вэ? Үүнийг хийхийн тулд тэгш хэмийг зөрчих шаардлагатай, жишээлбэл, металл хальсыг U хүчдэлтэй эх үүсвэртэй холбоно. Дараа нь хальснууд нь конденсаторын хавтангийн үүрэг гүйцэтгэх бөгөөд диэлектрик давхаргад цахилгаан орон үүснэ. Энэ тохиолдолд дээд давхаргын электронууд саадыг даван туулах нь доод давхаргын электронуудаас илүү хялбар байдаг. Үүний үр дүнд бага эх үүсвэрийн хүчдэлд ч хонгилын гүйдэл үүсдэг. Тунелийн контактууд нь метал дахь электронуудын шинж чанарыг судлах боломжийг олгодог бөгөөд электроникийн салбарт ч ашиглагддаг.

TUNNEL EFFECT, квант бөөмсийг сансар огторгуйн бүсээр нэвтрүүлэхээс бүрдэх квант эффект бөгөөд үүнд сонгодог хуулийн дагуу физикийн хувьд бөөмс олохыг хориглоно. Сонгодог

нийт энерги E ба потенциалтай бөөмс. Энэ талбар нь зөвхөн нийт энерги нь боломжит хэмжээнээс хэтрэхгүй орон зайн бүсэд л оршино. талбайтай харилцан үйлчлэх энерги U. Квант бөөмийн долгионы функц нь орон зайд тэгээс ялгаатай байдаг тул орон зайн тодорхой мужид бөөмсийг олох магадлалыг долгионы функцийн модулийн квадратаар, дараа нь хориглосон (сонгодог механикийн үүднээс) өгдөг. ) мужуудад долгионы функц тэгээс ялгаатай байна. Т

U(x) боломжит талбар дахь нэг хэмжээст бөөмийн загвар бодлого ашиглан хонгилын эффектийг дүрслэн үзүүлэхэд тохиромжтой (х нь бөөмийн координат). Тэгш хэмтэй давхар худгийн потенциалын хувьд (Зураг а) долгионы функц нь худгийн дотор "тохируулах" ёстой, өөрөөр хэлбэл энэ нь байнгын долгион юм. Салангид эрчим хүчний эх үүсвэрүүд боломжит хэлбэрийн минимумыг тусгаарлах саадын доор байрлах түвшин нь хоорондоо нягт уялдаатай (бараг доройтсон) түвшин юм. Эрчим хүчний ялгаа түвшин, бүрэлдэхүүн хэсэг, гэж нэрлэдэг. хонгилын хуваагдал, энэ ялгаа нь тохиолдол бүрийн хувьд асуудлын яг шийдлийг (долгионы функц) боломжийн минимумын аль алинд нь нутагшуулсан бөгөөд бүх тодорхой шийдлүүд нь доройтоогүй түвшинд тохирч байгаатай холбоотой юм (харна уу). Хонгилын нөлөөллийн магадлалыг боломжит минимумуудын аль нэгэнд локалчлагдсан бөөмийн хөдөлгөөнгүй байдлыг тодорхойлдог саадаар долгионы багц дамжуулах коэффициентээр тодорхойлогддог.

Боломжтой c = үед харилцан үйлчлэлийн потенциалаас их E энергитэй бөөмийн хувьд орон нутгийн нэг минимумтай талбар (Зураг б), дискрет энерги. ямар ч муж байдаггүй, гэхдээ агуу хүмүүс хоорондоо холбоотой байдаг хагас суурин төлөвүүдийн багц байдаг. хамгийн багатай ойролцоо бөөмсийг олох магадлал.

Ийм хагас суурин төлөвт тохирсон долгионы пакетууд нь метастабил төлөвүүдийг тодорхойлдог; долгионы пакетууд туннелийн нөлөөгөөр тархаж, алга болдог. Эдгээр төлөвүүд нь тэдний амьдралын хугацаа (муудах магадлал) болон эрчим хүчний өргөнөөр тодорхойлогддог. түвшин.

Зөөх потенциалтай бөөмийн хувьд (Зураг в) потенциалын нэг тал дээр тогтворгүй төлөвийг дүрсэлсэн долгионы багц. саад, энэ төлөвт байгаа бөөмийн энерги нь хаалтын өндрөөс бага байсан ч тодорхой магадлалаар (нэвтрэх магадлал эсвэл хонгилын магадлал гэж нэрлэдэг) саадын нөгөө талд өнгөрч болно.

Наиб. хонгилын эффектийг илэрхийлэхэд чухал ач холбогдолтой: 1) салангид хэлбэлзлийн хонгилын хуваагдал, эргэлт. болон электрон-ко-лебат.

2) Бөөмийн шилжилтийн үзэгдэл ба элементийн өдөөлт. Энэхүү багц үзэгдлүүд нь салангид төлөвүүдийн хоорондын шилжилт ба хагас стационар төлөвүүдийн задралыг дүрсэлсэн стационар бус процессуудыг агуулдаг. Янз бүрийн мужуудад нутагшсан долгионы функц бүхий салангид төлөвүүдийн хоорондох шилжилт. хамгийн багадаа нэг адиабат. боломжит, янз бүрийн химийн бодисуудтай тохирч байна. r-tions. Хонгилын нөлөө нь хувирлын хурдад үргэлж тодорхой хувь нэмэр оруулдаг боловч энэ хувь нэмэр нь зөвхөн бага температурт чухал ач холбогдолтой бөгөөд энэ нь харгалзах энергийн түвшний хүн амын тоо багатай тул эхний төлөвөөс эцсийн төлөвт шилжих боломжгүй юм. . Хонгилын нөлөө нь r-ион хурдны Аррениус бус зан төлөвт илэрдэг;

1.7. Хонгилын эффектийн тухай ойлголт.

Туннелийн эффект нь бөөмсийн долгионы шинж чанараас шалтгаалж болзошгүй саад тотгороор дамжин өнгөрөх явдал юм.

Зүүнээс баруун тийш хөдөлж буй бөөмс өндрийн боломжит саадтай тулгарцгаая У 0 ба өргөн л. Сонгодог үзэл баримтлалын дагуу бөөмс энергитэй бол саадыг саадгүй өнгөрдөг Эсаадны өндрөөс их ( Э> У 0 ). Хэрэв бөөмийн энерги нь саадны өндрөөс бага бол ( Э< У 0 ), дараа нь бөөм нь саадаас ойж, эсрэг чиглэлд хөдөлж эхэлдэг;

Квант механик нь бөөмсийн долгионы шинж чанарыг харгалзан үздэг. Долгионы хувьд саадын зүүн хана нь долгион нь хоёр долгионд хуваагддаг хоёр мэдээллийн хэрэгслийн хил юм - ойж, хугардаг Э> У 0 саад тотгороос бөөмс тусах боломжтой (бага магадлалтай ч) ба хэзээ Э< У 0 бөөмс нь боломжит саадын нөгөө талд байх тэгээс өөр магадлал байдаг. Энэ тохиолдолд бөөмс "хонгилоор дамжин өнгөрдөг" юм шиг санагдав.

Шийдье боломжит саадыг дамжин өнгөрөх бөөмийн асуудал 1.6-р зурагт үзүүлсэн нэг хэмжээст тэгш өнцөгт хаалтын хамгийн энгийн тохиолдолд. Саадын хэлбэрийг функцээр тодорхойлно

. (1.7.1)

Бүс тус бүрт Шредингерийн тэгшитгэлийг бичье: 1( x<0 ), 2(0< x< л) ба 3( x> л):

; (1.7.2)

; (1.7.3)

. (1.7.4)

гэж тэмдэглэе

(1.7.5)

. (1.7.6)

Талбай тус бүрийн (1), (2), (3) тэгшитгэлийн ерөнхий шийдлүүд дараах хэлбэртэй байна.

Маягтын шийдэл
тэнхлэгийн чиглэлд тархах долгионтой тохирч байна x, А
- эсрэг чиглэлд тархах долгион. 1-р улиралд
хаалт дээрх долгионы тохиолдлыг дүрсэлсэн ба нэр томъёо
- саадаас туссан долгион. 3-р бүсэд (саадны баруун талд) зөвхөн x чиглэлд тархах долгион байдаг тул
.

Долгионы функц нь тасралтгүй байдлын нөхцлийг хангах ёстой тул боломжит саадын хил дээрх (6), (7), (8) шийдлүүдийг "оёсон" байх ёстой. Үүнийг хийхийн тулд бид долгионы функц ба тэдгээрийн деривативуудыг тэгшитгэдэг x=0 Тэгээд x = л:

;
;

;
. (1.7.10)

(1.7.7) - (1.7.10) ашиглан бид олж авна дөрөвтодорхойлох тэгшитгэл тавкоэффициентүүд А 1 , А 2 , А 3 ,IN 1 Тэгээд IN 2 :

А 1 +Б 1 =А 2 +Б 2 ;

А 2 дxp( л) + Б 2 дxp(-  л)= А 3 дxp(ikl) ;

ik(А 1 - IN 1 ) =  (А 2 -IN 2 ) ; (1.7.11)

 (А 2 дxp( л)-IN 2 дxp(-  л) = ikА 3 дxp(ikl) .

Тав дахь хамаарлыг олж авахын тулд бид тусгалын коэффициент ба саад тотгорын ил тод байдлын тухай ойлголтуудыг танилцуулж байна.

Тусгалын коэффициентхарьцаа гэж нэрлэе

, (1.7.12)

тодорхойлдог магадлалсаадаас үүссэн бөөмийн тусгал.

Ил тод байдлын хүчин зүйл

(1.7.13)

бөөмс байх магадлалыг өгдөг өнгөрөх болносаадаар дамжин. Бөөм нь тусгах эсвэл саадыг даван туулах тул эдгээр магадлалын нийлбэр нь нэгтэй тэнцүү байна. Дараа нь

Р+ Д =1; (1.7.14)

. (1.7.15)

Энэ л байна тав дахьсистемийг хаадаг харилцаа (1.7.11), үүнээс бүх тавкоэффициентүүд

Хамгийн их сонирхол татдаг ил тод байдлын коэффициентД. Өөрчлөлтийн дараа бид олж авдаг

, (7.1.16)

Хаана Д 0 - эв нэгдэлтэй ойролцоо утга.

(1.7.16)-аас харахад хаалтын ил тод байдал нь түүний өргөнөөс ихээхэн хамаардаг нь тодорхой байна. л, хаалт хэр өндөр байгаа талаар У 0 нь бөөмийн энергиэс хэтэрсэн байна Э, мөн түүнчлэн бөөмийн масс дээр м.

ХАМТ сонгодог үүднээс авч үзвэл бөөмийн боломжит саадыг дамжин өнгөрөх үед Э< У 0 энерги хадгалагдах хуультай зөрчилддөг. Баримт нь хэрэв сонгодог бөөмс саадын бүсэд (1.7-р зурагт 2-р бүс) байсан бол түүний нийт энерги нь боломжит энергиэс бага байх болно (мөн кинетик энерги нь сөрөг байх болно!?). Квантын үүднээс авч үзвэл ийм зөрчил байхгүй. Хэрэв бөөмс саад руу хөдөлж байвал түүнтэй мөргөлдөхөөс өмнө маш тодорхой энергитэй байдаг. Саадтай харилцах харилцааг хэсэг хугацаанд үргэлжлүүлээрэй  т, тэгвэл тодорхойгүй байдлын хамаарлын дагуу бөөмийн энерги тодорхой байхаа болино; эрчим хүчний тодорхойгүй байдал
. Энэхүү тодорхойгүй байдал нь саадын өндрийн дарааллаар болж хувирвал бөөмийн хувьд даван туулах боломжгүй саад тотгор байхаа больж, бөөмс түүгээр дамжин өнгөрөх болно.

Хаалтны ил тод байдал нь түүний өргөнөөс хамааран огцом буурдаг (Хүснэгт 1.1-ийг үз). Тиймээс туннелийн механизмын улмаас бөөмс нь зөвхөн маш нарийн боломжит саадыг дамжин өнгөрч болно.

Хүснэгт 1.1

Электроны ил тод байдлын коэффициентийн утгууд ( У 0 – Э ) = 5 эВ = const

Бид тэгш өнцөгт хэлбэртэй саадыг авч үзсэн. Дурын хэлбэрийн боломжит саад тотгорын хувьд, жишээлбэл, 1.7-р зурагт үзүүлснээр ил тод байдлын коэффициент нь хэлбэртэй байна.

. (1.7.17)

Хонгилын нөлөө нь олон тооны физик үзэгдлүүдэд илэрдэг бөгөөд чухал практик хэрэглээтэй байдаг. Зарим жишээ хэлье.

1. Талбайн электрон (хүйтэн) электронуудын ялгаралт.

IN 1922 онд гадны хүчтэй цахилгаан орны нөлөөн дор металаас хүйтэн электрон ялгарах үзэгдлийг илрүүлсэн. Боломжит энергийн график Укоординатаас электрон xЗурагт үзүүлэв. At x < 0 нь электронууд бараг чөлөөтэй хөдөлдөг металлын бүс юм. Энд боломжит энергийг тогтмол гэж үзэж болно. Металлын хил дээр электроныг металлаас гарахаас сэргийлж, зөвхөн ажлын функцтэй тэнцэх нэмэлт энергийг олж авах боломжтой хана гарч ирнэ А. Металлын гадна талд (д x > 0) чөлөөт электронуудын энерги өөрчлөгдөхгүй тул x>0 үед график У(x) хэвтээ чиглэлд явдаг. Одоо металлын ойролцоо хүчтэй цахилгаан орон үүсгэцгээе. Үүнийг хийхийн тулд хурц зүү хэлбэртэй металл дээж авч, эх үүсвэрийн сөрөг туйлтай холбоно. Цагаан будаа. 1.9 Хонгилын микроскопын ажиллах зарчим

ka хүчдэл, (энэ нь катод байх болно); Бид ойролцоо өөр электрод (анод) байрлуулж, бид эх үүсвэрийн эерэг туйлыг холбоно. Хэрэв анод ба катодын хоорондох боломжит зөрүү хангалттай их байвал катодын ойролцоо ойролцоогоор 10 8 В/м хүч чадалтай цахилгаан орон үүсгэх боломжтой. Металл-вакуум интерфэйс дэх боломжит саад нь нарийсч, электронууд түүгээр дамжин металыг орхино.

Хээрийн ялгаруулалтыг хүйтэн катод бүхий вакуум хоолойг бий болгоход ашигласан (одоо бараг ашиглагдаагүй); хонгилын микроскоп, 1985 онд Ж.Биннинг, Г.Ререр, Э.Руска нар зохион бүтээсэн.

Хонгилын микроскопод датчик - нимгэн зүү - судалж буй гадаргуугийн дагуу хөдөлдөг. Зүү нь судалж буй гадаргууг сканнердаж, түүнд маш ойрхон байрладаг тул долгионы шинж чанараас шалтгаалан гадаргуугийн атомын электрон бүрхүүлээс (электрон үүл) электронууд зүү рүү хүрч чаддаг. Үүнийг хийхийн тулд бид эх үүсвэрээс зүү хүртэл "нэмэх", судалж буй дээжинд "хасах" тэмдэг тавина. Хонгилын гүйдэл нь зүү ба гадаргуугийн хоорондох боломжит саадын ил тод байдлын коэффициенттэй пропорциональ бөгөөд энэ нь (1.7.16) томъёоны дагуу саадны өргөнөөс хамаарна. л. Дээжийн гадаргууг зүүгээр сканнердах үед хонгилын гүйдэл нь зайнаас хамаарч өөр өөр байдаг л, гадаргуугийн профилийг давтах. Зүүг богино зайд хийх нарийн хөдөлгөөнийг пьезоэлектрик эффект ашиглан хийдэг бөгөөд зүү нь кварцын хавтан дээр бэхлэгддэг бөгөөд энэ нь цахилгаан хүчдэл хэрэглэх үед өргөжиж эсвэл багасдаг. Орчин үеийн технологи нь маш нимгэн зүү үйлдвэрлэх боломжийг олгодог бөгөөд төгсгөлд нь зөвхөн нэг атом байдаг.

БА зураг нь компьютерийн дэлгэцийн дэлгэц дээр үүсдэг. Хонгилын микроскопын нарийвчлал нь маш өндөр тул бие даасан атомуудын зохион байгуулалтыг "харах" боломжийг олгодог. Зураг 1.10 нь цахиурын атомын гадаргуугийн жишээ зургийг үзүүлэв.

2. Альфа цацраг идэвхит байдал ( - ялзрал). Энэ үзэгдлийн үед цацраг идэвхт цөмийн аяндаа хувирах үйл явц явагддаг бөгөөд үүний үр дүнд нэг цөм (үүнийг эх цөм гэж нэрлэдэг)  бөөмс ялгаруулж, 2 нэгжээс бага цэнэгтэй шинэ (охин) цөм болж хувирдаг.  бөөмс (гелийн атомын цөм) нь хоёр протон, хоёр нейтроноос бүрддэг гэдгийг санацгаая.

Э Хэрэв α-бөөм нь цөм дотор дан тогтоц хэлбэрээр оршдог гэж үзвэл цацраг идэвхт цөмийн талбайн координатаас түүний потенциал энергийн хамаарлын график 1.11-р зурагт үзүүлсэн хэлбэртэй байна. Энэ нь нуклонуудыг бие биедээ татахаас үүдэлтэй хүчтэй (цөмийн) харилцан үйлчлэлийн энерги, Кулоны харилцан үйлчлэлийн энерги (протонуудын цахилгаан статик түлхэлт) -ээр тодорхойлогддог.

Үүний үр дүнд  нь цөм дэх энергитэй бөөм юм Э боломжит саадын ард байрладаг. Долгионы шинж чанараараа  бөөмс нь цөмөөс гадуур төгсөх магадлал тодорхой байна.

3. Хонгилын нөлөөх- n- шилжилтХагас дамжуулагч төхөөрөмжийн хоёр ангилалд ашигладаг: хонгилТэгээд урвуу диодууд. Туннелийн диодын нэг онцлог нь гүйдлийн хүчдэлийн шинж чанарын шууд салбар дээр унах хэсэг - сөрөг дифференциал эсэргүүцэлтэй хэсэг юм. Урвуу диодуудын хамгийн сонирхолтой зүйл бол урвуу холболттой үед эсэргүүцэл нь урвуу холболттой харьцуулахад бага байдаг. Туннель ба урвуу диодын талаарх дэлгэрэнгүй мэдээллийг 5.6-р хэсгээс үзнэ үү.

• Орчуулга

Би маш ойлгомжтой хариулт бүхий хоёр энгийн асуултаас эхэлнэ. Аяга, бөмбөг авцгаая (Зураг 1). Хэрэв надад хэрэгтэй бол:

Бөмбөгийг аяганд хийснийхээ дараа хөдөлгөөнгүй байсан ба
савыг хөдөлгөх үед энэ нь ойролцоогоор ижил байрлалд байсан;

Тэгэхээр би хаана тавих ёстой вэ?

Цагаан будаа. 1

Мэдээжийн хэрэг, би үүнийг төвд, хамгийн доод хэсэгт байрлуулах хэрэгтэй. Яагаад? Зөн совингоор, хэрэв би үүнийг өөр газар тавьбал энэ нь доошоо эргэлдэж, нааш цааш унана. Үүний үр дүнд үрэлт нь унжсан өндрийг багасгаж, доороос нь удаашруулна.

Зарчмын хувьд та аяганы ирмэг дээр бөмбөгийг тэнцвэржүүлэхийг оролдож болно. Харин бага зэрэг сэгсэрвэл бөмбөг тэнцвэрээ алдаж унана. Тэгэхээр энэ газар миний асуултын хоёр дахь шалгуурыг хангахгүй байна.

Бөмбөлөг хөдөлгөөнгүй, аяга эсвэл бөмбөгний жижиг хөдөлгөөнөөр тийм ч их хазайдаггүй байрлалыг "бөмбөгний тогтвортой байрлал" гэж нэрлэе. Савны ёроол нь ийм тогтвортой байрлал юм.

Өөр нэг асуулт. Хэрэв би зураг дээрх шиг хоёр аягатай бол. 2, бөмбөгний тогтвортой байрлалууд хаана байх вэ? Энэ нь бас энгийн: аяга тус бүрийн ёроолд ийм хоёр газар байдаг.

Цагаан будаа. 2

Эцэст нь зөн совинтой хариулт бүхий өөр нэг асуулт. Хэрэв би 1-р аяганы ёроолд бөмбөг тавиад өрөөнөөс гарч, хааж, хэн ч дотогш орохгүй, энэ газарт газар хөдлөлт болон бусад цочрол болоогүй эсэхийг шалгавал арван жил би өрөөг дахин нээвэл 2-р аяганы ёроолд бөмбөг олдох болов уу? Мэдээжийн хэрэг, тэг. Бөмбөгийг 1-р аяганы ёроолоос 2-р аяганы ёроол руу шилжүүлэхийн тулд хэн нэгэн эсвэл ямар нэгэн зүйл бөмбөгийг авч, 1-р аяганы ирмэг дээр, 2-р аяга руу, дараа нь ирмэг дээр шилжүүлэх ёстой. аяга 2. Бөмбөг 1-р аяганы ёроолд үлдэх нь ойлгомжтой.

Мэдээжийн хэрэг бөгөөд үндсэндээ үнэн. Гэсэн хэдий ч бидний амьдарч буй квант ертөнцөд ямар ч объект үнэхээр хөдөлгөөнгүй байдаггүй бөгөөд түүний байрлал нь тодорхойгүй байдаг. Тиймээс эдгээр хариултуудын аль нь ч 100% зөв биш юм.

Туннель хийх

Хэрэв би электрон шиг энгийн бөөмсийг аяга шиг ажилладаг соронзон урхинд (Зураг 3) байрлуулбал таталцал болон аяганы хана нь бөмбөгийг төв рүү түлхдэгтэй адил электроныг төв рүү түлхэх хандлагатай байна. Зураг дээрх аяга. 1, тэгвэл электроны тогтвортой байрлал ямар байх вэ? Хүний таамаглаж байгаагаар электроны дундаж байрлал нь урхины төвд байрлуулсан тохиолдолд л хөдөлгөөнгүй байх болно.

Гэхдээ квант механик нь нэг нюанс нэмдэг. Электрон хөдөлгөөнгүй байж чадахгүй; түүний байрлал нь "квант догдлол"-д хамаарна. Үүнээс болж түүний байр суурь, хөдөлгөөн байнга өөрчлөгдөж байдаг, эсвэл бүр тодорхойгүй байдаг (энэ бол алдартай "тодорхойгүй байдлын зарчим" юм). Зөвхөн электроны дундаж байрлал нь хавхны төвд байдаг; Хэрэв та электроныг харвал энэ нь хавханд өөр газар, төвд ойрхон байх болно, гэхдээ тэнд байхгүй. Электрон зөвхөн энэ утгаараа хөдөлгөөнгүй байдаг: энэ нь ихэвчлэн хөдөлдөг боловч хөдөлгөөн нь санамсаргүй байдаг бөгөөд баригдсан тул дунджаар хаашаа ч хөдөлдөггүй.

Энэ нь бага зэрэг хачирхалтай, гэхдээ энэ нь электрон нь таны бодож байгаа шиг биш бөгөөд таны харсан ямар ч объект шиг аашлахгүй гэдгийг л харуулж байна.

Дашрамд хэлэхэд энэ нь аяганы ирмэг дээрх бөмбөгөөс ялгаатай нь электроныг хавхны ирмэг дээр тэнцвэржүүлж чадахгүй гэдгийг баталгаажуулдаг (1-р зурагт үзүүлсэн шиг). Электроны байрлал нарийн тодорхойлогдоогүй тул үүнийг нарийн тэнцвэржүүлэх боломжгүй; тиймээс хавхыг сэгсэрээгүй ч электрон тэнцвэрээ алдаж, бараг тэр дороо унах болно.

Гэхдээ хамгийн хачирхалтай нь би хоёр хавхыг бие биенээсээ салгаж, аль нэгэнд нь электрон байрлуулах явдал юм. Тийм ээ, нэг хавхны төв нь электроны хувьд сайн, тогтвортой байрлал юм. Энэ нь электрон тэнд үлдэж, урхи сэгсэрвэл зугтахгүй гэсэн утгаараа үнэн юм.

Гэхдээ би 1-р хавханд электрон байрлуулж, гараад өрөөг хаавал гэх мэт тодорхой магадлал бий (Зураг 4) буцаж ирэхэд электрон 2-р хавханд байх болно.

Цагаан будаа. 4

Тэр яаж үүнийг хийсэн бэ? Хэрэв та электроныг бөмбөлөг гэж төсөөлвөл та үүнийг ойлгохгүй. Гэхдээ электронууд нь гантиг чулуу шиг биш (эсвэл ядаж л таны гантиг гэх зөн совингийн төсөөлөл шиг биш) бөгөөд тэдгээрийн квант чичиргээ нь тэдэнд "хана дундуур алхах" маш бага боловч тэг биш боломжийг олгодог - энэ нь гантиг руу шилжих боломжгүй мэт санагдах боломжийг олгодог. нөгөө тал. Үүнийг туннел хийх гэж нэрлэдэг - гэхдээ электроныг хананд нүх ухаж байна гэж битгий бодоорой. Та түүнийг хэзээ ч хананд барьж чадахгүй - улаан гараараа, ингэж хэлэхэд. Зүгээр л хана нь электрон гэх мэт зүйлсэд бүрэн нэвтэрдэггүй; электронууд тийм амархан баригдахгүй.

Үнэн хэрэгтээ энэ нь бүр ч галзуу юм: энэ нь электроны хувьд үнэн тул ваартай бөмбөгний хувьд ч үнэн юм. Хэрэв та хангалттай удаан хүлээвэл бөмбөг 2-р вааранд орж болно. Гэхдээ энэ магадлал маш бага байна. Маш бага тул та тэрбум жил, бүр хэдэн тэрбум тэрбум жил хүлээсэн ч энэ нь хангалттай биш байх болно. Практик талаас нь авч үзвэл энэ нь "хэзээ ч" болохгүй.

Манай ертөнц бол квант бөгөөд бүх объектууд энгийн бөөмсөөс бүтсэн бөгөөд квант физикийн дүрэмд захирагддаг. Квантын чичиргээ үргэлж байдаг. Гэхдээ масс нь энгийн бөөмсийн масстай харьцуулахад том биетүүд - жишээлбэл, бөмбөг, тэр ч байтугай тоос шороо - энэ квант читрийг тусгайлан зохион бүтээсэн туршилтаас бусад тохиолдолд илрүүлэхэд хэтэрхий бага байдаг. Үүнээс үүдэн ханаар дамжин хонгил хийх боломж нь энгийн амьдралд ажиглагддаггүй.

Өөрөөр хэлбэл, ямар ч объект ханыг нэвтлэх боломжтой боловч дараах тохиолдолд түүний магадлал эрс буурдаг.

Объект нь том масстай,
хана зузаан (хоёр талын хоорондох зай их),
ханыг даван туулахад хэцүү (ханыг нэвтлэхийн тулд маш их энерги зарцуулдаг).

Зарчмын хувьд бөмбөг аяганы ирмэгийг давж гарах боломжтой боловч бодит байдал дээр энэ нь боломжгүй юм. Хэрэв хавхнууд ойрхон, тийм ч гүн биш байвал электрон урхинаас мултрах нь амархан байж болох ч хол, маш гүн байвал маш хэцүү байдаг.

Хонгил үнэхээр болж байна уу?

Эсвэл энэ хонгил нь зүгээр л онол юм болов уу? Мэдээж үгүй. Энэ нь химийн үндэс суурь бөгөөд олон материалд байдаг, биологид чухал үүрэг гүйцэтгэдэг бөгөөд бидний хамгийн боловсронгуй, хүчирхэг микроскопуудад ашигладаг зарчим юм.

Товчхон байхын тулд микроскоп дээр анхаарлаа хандуулъя. Зураг дээр. Зураг 5-д сканнердах хонгилын микроскоп ашиглан авсан атомуудын зургийг үзүүлэв. Ийм микроскоп нь нарийн зүүтэй бөгөөд түүний үзүүр нь судалж буй материалтай ойрхон хөдөлдөг (6-р зургийг үз). Материал ба зүү нь мэдээж атомуудаас бүрддэг; атомын ард электронууд байдаг. Товчхондоо электронууд судалж буй материалын дотор эсвэл микроскопын үзүүрт баригдсан байдаг. Гэхдээ үзүүр нь гадаргууд ойртох тусам тэдгээрийн хоорондох электронуудын туннелийн шилжилтийн магадлал өндөр байдаг. Энгийн төхөөрөмж (материал ба зүү хоёрын хооронд боломжит ялгаа хадгалагддаг) электронууд гадаргуугаас зүү рүү үсрэхийг илүүд үздэг бөгөөд энэ урсгал нь хэмжигдэхүйц цахилгаан гүйдэл юм. Зүү нь гадаргуу дээгүүр хөдөлж, гадаргуу нь үзүүрээс ойртож эсвэл илүү ойртож, гүйдэл өөрчлөгддөг - зай багасах тусам улам хүчтэй болж, нэмэгдэх тусам сул болно. Микроскоп нь гадаргууг сканнердаж байхдаа гүйдлийг хянах замаар (эсвэл эсрэгээр тогтмол гүйдлийг хадгалахын тулд зүүг дээш доош хөдөлгөж) энэ гадаргуугийн хэлбэрийг олж хардаг бөгөөд энэ нь ихэвчлэн бие даасан атомуудыг илрүүлэх хангалттай нарийвчлалтай байдаг.

Цагаан будаа. 6

Туннель нь байгаль болон орчин үеийн технологид өөр олон үүрэг гүйцэтгэдэг.

Янз бүрийн гүнтэй хавхуудын хооронд хонгил хийх

Одоо Зураг дээр нэг электрон урхи байна гэж үзье. Нөгөөгөөсөө 4 гүн - инжир дэх нэг аягатай яг адилхан. 2 нь нөгөөгөөсөө илүү гүн байсан (7-р зургийг үз). Хэдийгээр электрон аль ч чиглэлд туннел хийх боломжтой ч эсрэгээр нь гүехэн хавхаас гүн рүү орох нь илүү хялбар байх болно. Үүний дагуу хэрэв бид электроныг аль ч чиглэлд хонгил хийж, буцаж ирэх хангалттай хугацаатай болтол хангалттай удаан хүлээгээд дараа нь түүний байршлыг тодорхойлохын тулд хэмжилт хийж эхэлбэл бид түүнийг ихэвчлэн гүн занганд орсон байхыг олж харах болно. (Үнэндээ энд бас зарим нэг нюансууд бий; бүх зүйл хавхны хэлбэрээс хамаарна). Түүгээр ч зогсохгүй гүнээс гүехэн хавх руу хонгил хийх нь маш ховор болохын тулд гүний ялгаа их байх албагүй.

Товчхондоо, хонгил нь ерөнхийдөө хоёр чиглэлд явагдах боловч гүехэн газраас гүн хавх руу орох магадлал хамаагүй их байдаг.

Цагаан будаа. 7

Энэ нь электронууд зөвхөн нэг чиглэлд шилжихийг баталгаажуулахын тулд сканнердах хонгилын микроскопыг ашигладаг. Үндсэндээ микроскопын зүүний үзүүр нь судалж буй гадаргуугаас илүү гүнд байдаг тул электронууд эсрэгээр биш харин гадаргуугаас зүү рүү туннел хийхийг илүүд үздэг. Гэхдээ микроскоп эсрэг тохиолдолд ажиллах болно. Хавхыг илүү гүн эсвэл гүехэн болгодог бөгөөд энэ нь үзүүр ба гадаргуугийн хоорондох боломжит зөрүүг үүсгэдэг бөгөөд энэ нь үзүүр дээрх электронууд болон гадаргуу дээрх электронуудын хооронд энергийн зөрүүг үүсгэдэг. Электрон туннелийг нэг чиглэлд нөгөөгөөс илүү олон удаа хийх нь маш хялбар байдаг тул энэхүү туннел нь электроникийн хэрэглээнд бодитой хэрэг болдог.

(ФИЗИКИЙН блок болон бусад блокуудын асуудлыг шийдсэнээр ЭНЭ блокийн асуудлыг шийдвэрлэхдээ хамгийн өндөр оноо авсан ГУРВАН хүнийг бүтэн цагийн шатанд сонгох боломжтой болно. Нэмж дурдахад эдгээр нэр дэвшигчид бие биенээ тойрон гарах шатны үр дүнд үндэслэн тусгай нэр дэвшүүлэхийн төлөө өрсөлдөх болно " Наносистемийн физик" Мөн хамгийн өндөр оноо авсан 5 хүнийг бүтэн цагийн шатанд шалгаруулна. үнэмлэхүйонооны тоо тул мэргэжлээрээ асуудлыг шийдсэний дараа асуудлыг шийдэх нь бүрэн утга учиртай болно бусад блокуудаас. )

Нано бүтэц ба макроскоп биетүүдийн гол ялгаануудын нэг нь тэдгээрийн химийн болон физик шинж чанар нь хэмжээнээс хамаардаг явдал юм. Үүний тод жишээ бол гэрлийн тоосонцор (электрон, протон) тэдгээрт эрчим хүчний хувьд нэвтрэх боломжгүй хэсгүүдэд нэвтрэхээс бүрддэг туннелийн эффект юм. Энэ нөлөө нь амьд организмын фотосинтезийн төхөөрөмжид цэнэг шилжүүлэх зэрэг үйл явцад чухал үүрэг гүйцэтгэдэг (биологийн урвалын төвүүд нь хамгийн үр дүнтэй нано бүтцийн нэг гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй).

Хонгилын эффектийг гэрлийн бөөмсийн долгионы шинж чанар, тодорхойгүй байдлын зарчмаар тайлбарлаж болно. Жижиг тоосонцор сансар огторгуйд тодорхой байр суурь эзэлдэггүй тул тэдгээрийн траекторийн тухай ойлголт байдаггүй. Тиймээс нэг цэгээс нөгөөд шилжихийн тулд бөөмс нь тэдгээрийг холбосон шугамын дагуу өнгөрөх шаардлагагүй бөгөөд ингэснээр эрчим хүчний хориотой бүс нутгийг тойрч гарах боломжтой. Электроны хувьд яг нарийн координат байхгүй тул түүний төлөвийг координатын дагуух магадлалын тархалтыг тодорхойлдог долгионы функцийг ашиглан дүрсэлдэг. Зураг нь эрчим хүчний саад дор хонгил хийх үед ердийн долгионы функцийг харуулж байна.

Магадлал хБоломжит саадаар электрон нэвтрэн орох нь өндрөөс хамаарна Уба сүүлчийнх нь өргөн би ( томъёо 1, зүүн),Хаана м- электрон масс; Э– электрон энерги, h – баартай Планкийн тогтмол.

1. Хэрэв энергийн зөрүү 0.1 нм зайд электрон хонгил хийх магадлалыг тодорхойл.U -E = 1 эВ ( 2 оноо). Электрон 1 нм-ийн зайд 1% магадлалтайгаар туннел хийх энергийн зөрүүг (эВ ба кЖ/моль) тооцоол. 2 оноо).

Хонгилын нөлөөний хамгийн мэдэгдэхүйц үр дагаврын нэг бол химийн урвалын хурдны тогтмол нь температураас ер бусын хамааралтай байдаг. Температур буурах тусам хурдны тогтмол нь 0 биш (Аррениусын тэгшитгэлээс таамаглаж болно), харин цөмийн хонгилын магадлалаар тодорхойлогддог тогтмол утга руу чиглэдэг. p( е томъёо 2, зүүн), хаана А- экспоненциалын өмнөх хүчин зүйл; Э A - идэвхжүүлэх энерги. Үүнийг өндөр температурт зөвхөн энерги нь саадны энергиэс өндөр байдаг хэсгүүд урвалд ордог бөгөөд бага температурт зөвхөн хонгилын нөлөөгөөр урвал явагддагтай холбон тайлбарлаж болно.

2. Доорх туршилтын өгөгдлөөс идэвхжүүлэх энерги болон хонгилын магадлалыг тодорхойл ( 3 оноо).

Орчин үеийн квант электрон төхөөрөмжүүд нь резонансын туннелийн эффектийг ашигладаг. Хэрэв электрон боломжит цооногоор тусгаарлагдсан хоёр саадтай тулгарвал энэ нөлөө үүсдэг. Хэрэв электрон энерги нь худгийн энергийн түвшний аль нэгтэй давхцаж байвал (энэ нь резонансын нөхцөл) хонгилын ерөнхий магадлалыг хоёр нимгэн саадыг дамжин өнгөрөх замаар тодорхойлно, гэхдээ хэрэв үгүй ​​бол өргөн хаалт саад болно. боломжит цооногийг багтаасан электрон ба хонгилын ерөнхий магадлал 0 байх хандлагатай байна.

3. Электроны резонансын болон резонансын бус хонгилын магадлалыг дараах үзүүлэлтүүдээр харьцуулна уу: хаалт тус бүрийн өргөн 0.5 нм, хаалт хоорондын худгийн өргөн 2 нм, бүх боломжит саадуудын өндөртэй харьцуулахад. электрон энерги нь 0.5 эВ ( 3 оноо). Ямар төхөөрөмжүүд хонгилын зарчмыг ашигладаг ( 3 оноо)?