Tünel etkisi, klasik fizik açısından tamamen imkansız olan şaşırtıcı bir olgudur. Ancak gizemli ve gizemli kuantum dünyasında, madde ve enerji arasındaki etkileşimin biraz farklı yasaları işler. Tünel etkisi, enerjisinin bariyerin yüksekliğinden az olması koşuluyla, belirli bir potansiyel bariyerin aşılması işlemidir. Bu fenomen, doğası gereği yalnızca kuantumdur ve klasik mekaniğin tüm yasalarına ve dogmalarına tamamen aykırıdır. İçinde yaşadığımız dünya daha da şaşırtıcı.
Kuantum tünelleme etkisinin ne olduğunu anlamanın en iyi yolu, bir deliğe bir miktar kuvvetle fırlatılan golf topu örneğini kullanmaktır. Herhangi bir zaman biriminde topun toplam enerjisi potansiyel yerçekimi kuvvetine karşıttır. Yer çekimi kuvvetinden daha düşük olduğunu varsayarsak, belirtilen nesne delikten kendi başına çıkamayacaktır. Ancak bu klasik fizik kanunlarına uygundur. Deliğin kenarını aşıp yoluna devam etmek için kesinlikle ek kinetik itmeye ihtiyacı olacaktır. Büyük Newton'un söylediği budur.
Kuantum dünyasında ise işler biraz farklıdır. Şimdi deliğin içinde bir kuantum parçacığı olduğunu varsayalım. Bu durumda artık yerdeki gerçek bir fiziksel çöküntüden değil, fizikçilerin geleneksel olarak "potansiyel delik" dediği şeyden söz edeceğiz. Böyle bir değerin aynı zamanda fiziksel tarafın bir analogu da vardır - bir enerji bariyeri. Burada durum en radikal şekilde değişiyor. Sözde kuantum geçişinin gerçekleşmesi ve parçacığın bariyerin dışında görünmesi için başka bir koşul daha gereklidir.
Dış enerji alanının gücü parçacığınkinden azsa, yüksekliği ne olursa olsun gerçek bir şansı vardır. Newton fiziğinin anlaşılmasında yeterli kinetik enerjiye sahip olmasa bile. Bu aynı tünel etkisidir. Aşağıdaki gibi çalışır. Herhangi bir parçacığı herhangi bir fiziksel nicelik kullanmadan, ancak parçacığın her belirli zaman biriminde uzayda belirli bir noktada bulunma olasılığıyla ilişkili bir dalga fonksiyonu aracılığıyla tanımlamak tipiktir.
Bir parçacık belirli bir bariyere çarptığında Schrödinger denklemini kullanarak bu bariyeri aşma olasılığını hesaplayabilirsiniz. Çünkü bariyer sadece enerjiyi emmekle kalmıyor, aynı zamanda katlanarak söndürüyor. Başka bir deyişle, kuantum dünyasında aşılamaz engeller yoktur; yalnızca bir parçacığın kendisini bu engellerin ötesinde bulabileceği ek koşullar vardır. Elbette çeşitli engeller parçacıkların hareketine müdahale eder, ancak hiçbir şekilde katı, aşılmaz sınırlar değildir. Geleneksel olarak konuşursak, bu iki dünya arasındaki bir tür sınır bölgesidir - fiziksel ve enerjik.
Tünel etkisinin nükleer fizikte bir benzeri vardır; güçlü bir elektrik alanında bir atomun otoiyonizasyonu. Katı hal fiziği aynı zamanda tünel açma örnekleriyle de doludur. Bu, alan emisyonunu, göçü ve ayrıca ince bir dielektrik filmle ayrılmış iki süper iletkenin temasında meydana gelen etkileri içerir. Tünel açma, düşük ve kriyojenik sıcaklık koşulları altında çok sayıda kimyasal prosesin uygulanmasında olağanüstü bir rol oynar.
Bir top, duvarın hasar görmeden yerinde kalması ve topun enerjisinin değişmemesi için bir duvarın içinden uçabilir mi? Tabii ki hayır, cevap kendiliğinden ortaya çıkıyor, bu hayatta olmaz. Bir duvarın içinden uçabilmek için topun duvarı kıracak yeterli enerjiye sahip olması gerekir. Aynı şekilde, içi boş bir topun bir tepenin üzerinden yuvarlanmasını istiyorsanız, ona potansiyel engeli (topun tepedeki ve içindeki potansiyel enerjileri arasındaki fark) aşmaya yetecek bir enerji kaynağı sağlamanız gerekir. içi boş. Hareketi klasik mekaniğin yasalarıyla tanımlanan cisimler, potansiyel engeli ancak maksimum potansiyel enerjiden daha büyük bir toplam enerjiye sahip olduklarında aşarlar.
Mikrokozmosta işler nasıl gidiyor? Mikropartiküller kuantum mekaniği kanunlarına uyar. Belirli yörüngelerde hareket etmiyorlar, ancak uzayda bir dalga gibi "yayılmış" durumdalar. Mikropartiküllerin bu dalga özellikleri beklenmedik olaylara yol açar ve bunların arasında belki de en şaşırtıcı olanı tünel etkisidir.
Mikrokozmosta "duvarın" yerinde kalabileceği ve elektronun sanki hiçbir şey olmamış gibi onun içinden uçtuğu ortaya çıktı.
Mikropartiküller, enerjileri yüksekliğinden az olsa bile potansiyel bariyeri aşarlar.
Mikrokozmosta potansiyel bir bariyer genellikle elektriksel kuvvetler tarafından yaratılır ve bu olayla ilk kez atom çekirdekleri yüklü parçacıklarla ışınlandığında karşılaşıldı. Proton gibi pozitif yüklü bir parçacığın çekirdeğe yaklaşması sakıncalıdır, çünkü yasaya göre proton ile çekirdek arasında itici kuvvetler etki eder. Bu nedenle bir protonu çekirdeğe yaklaştırmak için iş yapılması gerekir; Potansiyel enerji grafiği Şekil 2'de gösterilene benzer. 1. Doğru, bir protonun çekirdeğe yaklaşması (cm mesafede) yeterlidir ve hemen güçlü nükleer çekim kuvvetleri (güçlü etkileşim) devreye girer ve çekirdek tarafından yakalanır. Ama önce yaklaşıp potansiyel engeli aşmalısınız.
Ve protonun, enerjisi E bariyer yüksekliğinden az olsa bile bunu yapabileceği ortaya çıktı. Kuantum mekaniğinde her zaman olduğu gibi protonun çekirdeğe nüfuz edeceğini kesin olarak söylemek mümkün değildir. Ancak böyle bir tünelin potansiyel bir bariyerden geçmesinin kesin bir olasılığı vardır. Bu olasılık daha büyüktür, enerji farkı ne kadar küçükse ve parçacık kütlesi de o kadar küçüktür (ve olasılığın büyüklüğe bağımlılığı çok keskindir - üstel).
Tünel açma fikrine dayanarak, D. Cockcroft ve E. Walton, 1932'de Cavendish Laboratuvarı'nda çekirdeğin yapay fisyonunu keşfettiler. İlk hızlandırıcıyı yaptılar ve hızlandırılan protonların enerjisi potansiyel engeli aşmaya yetmese de protonlar tünel etkisi sayesinde çekirdeğe nüfuz ederek nükleer reaksiyona neden oldu. Tünel etkisi aynı zamanda alfa bozunumu olgusunu da açıkladı.
Tünel etkisi katı hal fiziği ve elektronikte önemli uygulamalar bulmuştur.
Bir cam plakaya (alt tabakaya) metal bir filmin uygulandığını düşünün (genellikle metalin vakumda biriktirilmesiyle elde edilir). Daha sonra oksitlendi ve yüzeyde yalnızca birkaç on angstrom kalınlığında bir dielektrik (oksit) tabakası oluşturuldu. Ve yine metal bir filmle kapladılar. Sonuç, sözde "sandviç" (kelimenin tam anlamıyla, bu İngilizce kelime, örneğin aralarında peynir bulunan iki parça ekmek anlamına gelir) veya başka bir deyişle tünel teması olacaktır.
Elektronlar bir metal filmden diğerine geçebilir mi? Öyle görünmüyor - dielektrik katman onlara müdahale ediyor. İncirde. Şekil 2 elektron potansiyel enerjisinin pozisyona karşı grafiğini göstermektedir. Bir metalde elektron serbestçe hareket eder ve potansiyel enerjisi sıfırdır. Dielektrik maddeye girmek için elektronun kinetik (ve dolayısıyla toplam) enerjisinden daha büyük bir iş fonksiyonunun gerçekleştirilmesi gerekir.
Bu nedenle metal filmlerdeki elektronlar, yüksekliği eşit olan potansiyel bir bariyerle ayrılır.
Eğer elektronlar klasik mekaniğin kanunlarına uysaydı, böyle bir engel onlar için aşılamaz olurdu. Ancak tünel etkisinden dolayı, belli bir olasılıkla, elektronlar dielektrik boyunca bir metal filmden diğerine geçebilir. Bu nedenle, ince bir dielektrik filmin elektronlar için geçirgen olduğu ortaya çıkıyor - içinden tünel akımı adı verilen bir akım akabiliyor. Bununla birlikte, toplam tünel akımı sıfırdır: alt metal filmden üst filme hareket eden elektronların sayısı, ortalama olarak aynı sayı, üst filmden alt filme doğru hareket eder.
Tünel akımını sıfırdan nasıl farklı hale getirebiliriz? Bunu yapmak için simetriyi kırmak gerekir, örneğin metal filmleri U voltajına sahip bir kaynağa bağlamak gerekir. Daha sonra filmler kapasitör plakalarının rolünü oynayacak ve dielektrik katmanda bir elektrik alanı ortaya çıkacaktır. Bu durumda üst filmdeki elektronların bariyeri aşması alt filmdeki elektronlara göre daha kolaydır. Sonuç olarak düşük kaynak gerilimlerinde bile tünel akımı oluşur. Tünel kontakları metallerdeki elektronların özelliklerinin incelenmesini mümkün kılar ve elektronikte de kullanılır.
TÜNEL ETKİSİ(tünelleme) - bir sistemin klasik tarafından yasaklanan bir hareket bölgesi boyunca kuantum geçişi mekanik. Böyle bir sürecin tipik bir örneği, bir parçacığın içinden geçişidir. potansiyel bariyer onun enerjisi ne zaman
bariyerin yüksekliğinden daha az. Parçacık momentumu R bu durumda ilişkiden belirlenir 
Nerede U(x)- potansiyel parçacık enerjisi ( T- kütle), bariyerin içindeki bölgede hayali bir miktar olacaktır. İÇİNDE Kuantum mekaniği sayesinde belirsizlik ilişkisiİmpuls ve koordinat arasında alt bariyer hareketi mümkün hale gelir. Bu bölgedeki bir parçacığın dalga fonksiyonu üstel olarak ve yarı klasik olarak azalır. durumda (bkz. Yarı klasik yaklaşım)Bariyerin altından çıkış noktasındaki genliği küçüktür.
Potansiyelin geçişine ilişkin problemlerin formülasyonlarından biri. bariyer, sabit bir parçacık akışının bariyere düştüğü ve iletilen akışın değerini bulmanın gerekli olduğu duruma karşılık gelir. Bu tür problemler için bir katsayı tanıtılır. bariyer şeffaflığı (tünel geçiş katsayısı) D iletilen ve gelen akışların yoğunluklarının oranına eşittir. Zamanın tersine çevrilebilirliğinden, katsayının olduğu sonucu çıkar. "İleri" ve geri yönlerdeki geçişlerin şeffaflıkları aynıdır. Tek boyutlu durumda katsayı. şeffaflık şu şekilde yazılabilir:
entegrasyon klasik olarak erişilemeyen bir bölge üzerinden gerçekleştirilir, X 1,2 - Klasik limitteki dönüm noktalarında koşulundan belirlenen dönüm noktaları. mekanikte parçacığın momentumu sıfır olur. Katsayı. D 0, tanımı için kuantum mekaniğinin kesin bir çözümünü gerektirir. görevler.
Yarı-klasiklik koşulu sağlanırsa
hemen hariç, bariyerin tüm uzunluğu boyunca dönüm noktası mahalleleri X 1.2 katsayısı D 0, birinden biraz farklıdır. Yaratıklar fark D 0'dan itibaren potansiyel eğrisinin olduğu durumlarda örneğin olabilir. Bariyerin bir tarafından gelen enerji o kadar dik bir şekilde gidiyor ki, yarı-klasik yaklaşım burada veya enerji bariyer yüksekliğine yakın olduğunda (yani üs ifadesi küçük olduğunda) geçerli değildir. Dikdörtgen bariyer yüksekliği için sen o ve genişlik A katsayı şeffaflık şu şekilde belirlenir:
Nerede 
Bariyerin tabanı sıfır enerjiye karşılık gelir. Yarı klasik dava D birliğe kıyasla küçüktür.
Dr. Bir parçacığın bir bariyerden geçmesi probleminin formülasyonu aşağıdaki gibidir. Parçacık başlangıçta olsun zaman içinde an sözde yakın bir durumdadır. aşılmaz bir bariyerle meydana gelebilecek sabit durum (örneğin, bir bariyerin yerden uzağa kaldırılmasıyla) potansiyel kuyusu yayılan parçacığın enerjisinden daha yüksek bir yüksekliğe kadar). Bu duruma denir yarı sabit. Durağan durumlara benzer şekilde, bir parçacığın dalga fonksiyonunun zamana bağımlılığı bu durumda şu faktörle verilir: 
Karmaşık miktar burada enerji olarak görünür e hayali kısım, T'ye bağlı olarak birim zaman başına yarı-durağan bir durumun bozulma olasılığını belirler. e.:
Yarı klasik yaklaşımında f-loy (3) tarafından verilen olasılık bir üstel içerir. in-f-le (1) ile aynı türden faktör. Küresel simetrik potansiyel durumunda. bariyer, yarı-durağan bir durumun yörüngelerden bozulma olasılığıdır. ben f-loy tarafından belirlenir
Burada R 1,2, integrali sıfıra eşit olan radyal dönüm noktalarıdır. Faktör w 0örneğin potansiyelin klasik olarak izin verilen kısmındaki hareketin doğasına bağlıdır. o orantılıdır. klasik Bariyer duvarları arasındaki parçacığın frekansı.
T. e. ağır çekirdeklerin bozunma mekanizmasını anlamamızı sağlar. Parçacık ile yavru çekirdek arasında elektrostatik bir kuvvet vardır. f-loy tarafından belirlenen itme Boyut sırasına göre küçük mesafelerde Açekirdekler öyledir ki eff. potansiyel negatif kabul edilebilir: 
Sonuç olarak olasılık A-bozunma ilişki tarafından verilir
İşte yayılan a parçacığının enerjisi.
T. e. Güneş'te ve yıldızlarda onlarca ve yüz milyonlarca derecelik sıcaklıklarda meydana gelen termonükleer reaksiyonların olasılığını belirler (bkz. Yıldızların evrimi) ve karasal koşullarda termonükleer patlamalar veya CTS şeklinde.
Zayıf geçirgen bir bariyerle ayrılmış iki özdeş kuyudan oluşan simetrik bir potansiyelde; kuyulardaki durumlara yol açar, bu da ayrık enerji seviyelerinin zayıf çift bölünmesine yol açar (inversiyon bölünmesi denir; bkz. Moleküler spektrum). Uzaydaki sonsuz periyodik delikler için her seviye bir enerji bölgesine dönüşür. Dar elektron enerjilerinin oluşumunun mekanizması budur. Kristallerdeki elektronların kafes bölgelerine güçlü bağlandığı bölgeler.
Yarı iletken bir kristale elektrik akımı uygulanırsa. alanı, daha sonra izin verilen elektron enerjilerinin bölgeleri uzayda eğimli hale gelir. Böylece yazı seviyesi. Elektron enerjisi tüm bölgeleri geçer. Bu koşullar altında bir elektronun bir enerji seviyesinden geçişi mümkün hale gelir. T. e nedeniyle bölgeler diğerine. Klasik olarak erişilemeyen alan, yasak enerjilerin bölgesidir. Bu fenomene denir. Zener'in dökümü. Yarı klasik yaklaşım burada küçük bir elektrik yoğunluğu değerine karşılık gelir. alanlar. Bu limitte temel olarak Zener arızası olasılığı belirlenir. üstel, kesme göstergesinde büyük bir olumsuzluk var. yasak enerjinin genişliğinin oranıyla orantılı bir değer. Birim hücrenin boyutuna eşit mesafede uygulanan bir alanda bir elektronun kazandığı enerjiye bölge.
Benzer bir etki şurada da görülüyor: tünel diyotları yarı iletkenler nedeniyle bölgelerin eğimli olduğu R- Ve N-temas sınırının her iki tarafına da yazın. Tünel açma, taşıyıcının gittiği bölgede sonlu bir boş durum yoğunluğunun bulunması nedeniyle meydana gelir.
T. e.'ye teşekkürler. elektrik mümkün ince bir dielektrikle ayrılan iki metal arasındaki akım. bölüm. Bu metaller hem normal hem de süper iletken durumda olabilir. İkinci durumda olabilir Josephson etkisi.
T. e. Güçlü elektrik akımlarında meydana gelen bu tür olaylardan kaynaklanmaktadır. atomların otoiyonizasyonu gibi alanlar (bkz. Alan iyonizasyonu)Ve oto-elektronik emisyonlar metallerden. Her iki durumda da elektrik alan sonlu şeffaflığın bir bariyerini oluşturur. Elektrik ne kadar güçlüyse alan ne kadar şeffaf olursa, bariyer o kadar şeffaf olur ve metalden gelen elektron akımı o kadar güçlü olur. Bu prensibe dayanarak Tarama tünel mikroskopu- incelenen yüzeyin farklı noktalarından tünelleme akımını ölçen ve heterojenliğinin doğası hakkında bilgi sağlayan bir cihaz.
T. e. yalnızca tek parçacıktan oluşan kuantum sistemlerinde mümkün değildir. Bu nedenle, örneğin kristallerdeki düşük sıcaklıktaki hareket, birçok parçacıktan oluşan bir dislokasyonun son kısmının tünellenmesiyle ilişkilendirilebilir. Bu tür problemlerde doğrusal bir dislokasyon, başlangıçta eksen boyunca uzanan elastik bir ip olarak temsil edilebilir. en potansiyelin yerel minimumlarından birinde V(x, y). Bu potansiyel şunlara bağlı değildir: en ve eksen boyunca kabartması X kristale uygulanan mekanik kuvvete bağlı olarak her biri diğerinden daha düşük olan bir dizi yerel minimumdur. . Bu stresin etkisi altındaki bir dislokasyonun hareketi, tanımlanan bitişik minimuma tünel açmaya indirgenir. bir çıkığın parçası ve daha sonra geri kalan kısmın orada çekilmesi. Hareketten aynı tür tünel mekanizması sorumlu olabilir yük yoğunluğu dalgaları Peierls'de (bkz. Peierls geçişi).
Bu tür çok boyutlu kuantum sistemlerinin tünelleme etkilerini hesaplamak için yarı klasik yöntemlerin kullanılması uygundur. dalga fonksiyonunun formda temsili 
Nerede S-klasik sistem eylemi. T. e. hayali kısım önemlidir S klasik olarak erişilemeyen bir bölgede dalga fonksiyonunun zayıflamasını belirler. Bunu hesaplamak için karmaşık yörüngeler yöntemi kullanılır.
Kuantum parçacığı potansiyelin üstesinden geliyor. bariyer termostata bağlanabilir. Klasik olarak Mekanik olarak bu, sürtünmeli harekete karşılık gelir. Bu nedenle, tünellemeyi tanımlamak için adı verilen bir teoriyi kullanmak gerekir. enerji tüketen. Josephson temaslarının mevcut durumlarının sonlu ömrünü açıklamak için bu tür değerlendirmelerin kullanılması gerekir. Bu durumda tünel açma işlemi gerçekleşir. kuantum parçacığı bariyerden geçer ve bir termostatın rolü normal elektronlar tarafından oynanır.
Aydınlatılmış.: Landau L.D., Lifshits E.M., Quantum Mechanics, 4. baskı, M., 1989; Ziman J., Katı Hal Teorisinin İlkeleri, çev. İngilizce'den, 2. baskı, M., 1974; Baz A.I., Zeldovich Ya. B., Perelomov A.M., Göreli olmayan kuantum mekaniğinde saçılma, reaksiyonlar ve bozunmalar, 2. baskı, M., 1971; Katılarda tünel olayları, çev. İngilizce'den, M., 1973; Likharev K.K., Josephson kavşaklarının dinamiğine giriş, M., 1985. B. I. Ivlev.
Bir kuantum parçacığının, klasik bir temel parçacık için aşılamaz olan bir engeli aşma olasılığı vardır.
Yere kazılmış küresel bir deliğin içinde yuvarlanan bir top hayal edin. Herhangi bir anda topun enerjisi, kinetik enerjisi ile yerçekiminin potansiyel enerjisi arasında, topun deliğin tabanına göre ne kadar yüksek olduğuna bağlı olarak (termodinamiğin birinci yasasına göre) orantılı olarak dağıtılır. . Top çukurun kenarına ulaştığında iki senaryo mümkündür. Toplam enerjisi, topun bulunduğu yerin yüksekliğine göre belirlenen yerçekimi alanının potansiyel enerjisini aşarsa delikten dışarı atlayacaktır. Topun toplam enerjisi, deliğin yan tarafındaki potansiyel yerçekimi enerjisinden azsa, top karşı tarafa doğru deliğin içine geri yuvarlanacaktır; Potansiyel enerjisi topun toplam enerjisine eşit olduğu anda duracak ve geri dönecektir. İkinci durumda, top, kendisine ek kinetik enerji verilmediği sürece (örneğin itilerek) asla delikten dışarı çıkmayacaktır. Newton'un mekanik kanunlarına göre , Top, denize yuvarlanmaya yetecek kadar kendi enerjisine sahip değilse, ona ek momentum vermeden asla deliği terk etmeyecektir.
Şimdi çukurun kenarlarının (ay kraterleri gibi) dünya yüzeyinin üzerinde yükseldiğini hayal edin. Eğer top böyle bir deliğin yükseltilmiş tarafının üzerinden düşmeyi başarırsa daha da yuvarlanacaktır. Newton'un top ve delik dünyasında, topun üst kenara ulaşmak için yeterli kinetik enerjiye sahip olmaması durumunda, topun deliğin kenarından daha fazla yuvarlanmasının hiçbir anlamı olmadığını hatırlamak önemlidir. Kenara ulaşmazsa, delikten dışarı çıkmayacak ve buna göre hiçbir koşulda, herhangi bir hızda ve yan kenarın dışındaki yüzeyin yüksekliği ne olursa olsun daha fazla yuvarlanmayacaktır.
Kuantum mekaniği dünyasında işler farklıdır. Böyle bir deliğin içinde bir kuantum parçacığının bulunduğunu hayal edelim. Bu durumda, artık gerçek bir fiziksel delikten bahsetmiyoruz, ancak bir parçacığın, fizikçilerin kabul ettiği şeyden çıkmasını önleyen bariyeri aşmak için gerekli olan belirli bir enerji kaynağına ihtiyaç duyduğu koşullu bir durumdan bahsediyoruz. "potansiyel delik". Bu çukurun aynı zamanda yan tarafta bir enerji analogu da var - sözde "potansiyel bariyer". Yani potansiyel bariyerin dışındaysa enerji alanı yoğunluğu seviyesi daha düşüktür , Bir parçacığın sahip olduğu enerjiden daha fazla bir değere sahipse, bu parçacığın gerçek kinetik enerjisi Newton'cu anlamda tahtanın kenarını "atlamak" için yeterli olmasa bile "denize düşme" şansı vardır. Bir parçacığın potansiyel bir bariyerden geçmesine ilişkin bu mekanizmaya kuantum tünelleme etkisi adı verilir.
Şöyle çalışır: Kuantum mekaniğinde bir parçacık, parçacığın belirli bir zamanda belirli bir yerde bulunma olasılığıyla ilişkili bir dalga fonksiyonu aracılığıyla tanımlanır. Bir parçacık potansiyel bir bariyerle çarpışırsa Schrödinger denklemi dalga fonksiyonu sadece enerjisel olarak bariyer tarafından absorbe edilmekle kalmayıp aynı zamanda çok hızlı bir şekilde - üstel olarak - söndürüldüğünden, bir parçacığın içinden geçme olasılığını hesaplamaya izin verir. Başka bir deyişle kuantum mekaniği dünyasındaki potansiyel bariyer bulanık. Elbette parçacığın hareket etmesini engeller ancak klasik Newton mekaniğinde olduğu gibi katı, aşılmaz bir sınır değildir.
Bariyer yeterince düşükse veya parçacığın toplam enerjisi eşiğe yakınsa, dalga fonksiyonu, parçacık bariyerin kenarına yaklaştıkça hızla azalsa da, ona onu aşma şansı bırakır. Yani, parçacığın potansiyel bariyerin diğer tarafında tespit edilmesi ihtimali bellidir; Newton mekaniği dünyasında bu imkânsızdır. Parçacık bariyerin kenarını geçtiğinde (bir ay krateri şekline sahip olsun), çıktığı delikten uzağa doğru dış eğiminden serbestçe aşağı doğru yuvarlanacaktır.
Bir kuantum tüneli bağlantısı, bir parçacığın potansiyel bir bariyerden bir tür "sızıntısı" veya "süzülmesi" olarak düşünülebilir, ardından parçacık bariyerden uzaklaşır. Doğada ve modern teknolojilerde bu tür olayların pek çok örneği vardır. Tipik bir radyoaktif bozunmayı ele alalım: Ağır bir çekirdek, iki proton ve iki nötrondan oluşan bir alfa parçacığı yayar. Bir yandan, bu süreci, tıpkı örneğimizdeki topun delikte tutulması gibi, ağır bir çekirdeğin, intranükleer bağlanma kuvvetleri yoluyla bir alfa parçacığını kendi içinde tutacağı şekilde hayal edebiliriz. Bununla birlikte, bir alfa parçacığının çekirdek içi bağların bariyerini aşmak için yeterli serbest enerjisi olmasa bile çekirdekten ayrılma olasılığı hala mevcuttur. Kendiliğinden alfa emisyonunu gözlemleyerek tünel etkisinin gerçekliğinin deneysel olarak doğrulanmasını sağlıyoruz.
Tünel etkisinin bir diğer önemli örneği yıldızlara enerji sağlayan termonükleer füzyon sürecidir ( santimetre. Yıldızların evrimi). Termonükleer füzyonun aşamalarından biri, iki döteryum çekirdeğinin (her biri bir proton ve bir nötron) çarpışmasıdır, bunun sonucunda helyum-3 çekirdeği (iki proton ve bir nötron) oluşur ve bir nötron yayılır. Coulomb yasasına göre, aynı yüke sahip iki parçacık arasında (bu durumda döteryum çekirdeğinin parçası olan protonlar) güçlü bir karşılıklı itme kuvveti vardır - yani güçlü bir potansiyel bariyer vardır. Newton'un dünyasında döteryum çekirdekleri helyum çekirdeğini sentezlemeye yetecek kadar yaklaşamazdı. Ancak yıldızların derinliklerinde sıcaklık ve basınç o kadar yüksektir ki çekirdeklerin enerjisi füzyon eşiğine yaklaşır (bizim anlayışımızda çekirdekler neredeyse bariyerin kenarındadır). tünel etkisi işlemeye başlar, termonükleer füzyon meydana gelir ve yıldızlar parlar.
Son olarak tünel etkisi, elektron mikroskobu teknolojisinde pratikte zaten kullanılmaktadır. Bu aletin hareketi, probun metal ucunun incelenen yüzeye son derece kısa bir mesafede yaklaşması gerçeğine dayanmaktadır. Bu durumda potansiyel bariyer, metal atomlarından gelen elektronların incelenen yüzeye akmasını engeller. Probu çok yakın bir mesafede hareket ettirirken İncelenen yüzeyi atom atom sıralıyor. Prob atomlara yakın olduğunda bariyer daha düşüktür , sondanın aralarındaki boşluklardan geçmesinden daha fazladır. Buna göre, cihaz bir atomu "el yordamıyla" aradığında, tünelleme etkisinin bir sonucu olarak artan elektron kaçağı nedeniyle akım artar ve atomlar arasındaki boşluklarda akım azalır. Bu, yüzeylerin atomik yapılarını ayrıntılı olarak incelemeyi, kelimenin tam anlamıyla onları "haritalamayı" mümkün kılar. Bu arada, elektron mikroskopları maddenin yapısına ilişkin atom teorisinin nihai onayını sağlar.
Kuantum boyutu etkilerinin en çarpıcı temsilcisi tünel etkisidir; modern elektronik ve alet yapımının gelişmesinde önemli bir rol oynayan tamamen kuantum bir olgudur. Tünel açma olgusu 1927'de yurttaşımız G. A. Gamow tarafından keşfedildi; kendisi Schrödinger denkleminin çözümlerini ilk elde eden kişiydi; bu parçacık, enerjisi bariyerin yüksekliğinden az olsa bile potansiyel bir bariyeri aşma olasılığını tanımlıyordu. . Bulunan çözümler, klasik fizik kavramları çerçevesinde anlaşılamayan birçok deneysel verinin anlaşılmasına yardımcı oldu.
Fizikte ilk kez tünel etkisi atom çekirdeklerinin radyoaktif bozunumunu açıklamak için kullanıldı. Örneğin:
Gerçek şu ki, bir helyum atomunun çekirdeği olan parçacık, kararsız çekirdeği terk edecek yeterli enerjiye sahip değildir. Bu yolda, parçacığın çok büyük (28 MeV) ama oldukça dar (10-12 cm - çekirdeğin yarıçapı) potansiyel bariyerini aşması gerekiyor. Sovyet bilim adamı G. Gamow (1927), bu durumda atom çekirdeğinin parçalanmasının tam olarak parçacık transferinin tünellenmesi nedeniyle mümkün olduğunu gösterdi. Tünel etkisi sayesinde metallerden elektronların soğuk emisyonu ve diğer birçok olay da meydana gelir. Pek çok kişi, birçok bilim için temel haline gelen çalışmasının sonuçlarının büyüklüğü nedeniyle G.A. Gamow'a birçok Nobel Ödülü verilecekti. G. A. Gamow'un keşfinden yalnızca otuz yıl sonra, tünel etkisine dayanan ilk cihazlar ortaya çıktı: tünel diyotları, transistörler, sensörler, ultra düşük sıcaklıkları ölçmek için termometreler ve son olarak modern araştırmanın temelini oluşturan taramalı tünel mikroskopları nanoyapılar üzerine. Tünel açma etkisi, bir mikropartikülün, toplam enerjisinin (tünel açma sırasında değişmeden kalan) bariyerin yüksekliğinden daha az olması durumunda potansiyel bir bariyeri aşma sürecidir. Tünel etkisi, klasik kavramlar çerçevesinde açıklanamayan, tamamen kuantum doğasında olan bir olgudur. Dalga optiğindeki tünel etkisinin bir benzeri, geometrik optik açısından toplam iç yansımanın meydana geldiği koşullar altında bir ışık dalgasının yansıtıcı bir ortama (ışık dalga boyu düzeyindeki mesafelerde) nüfuz etmesi olabilir. Genel olarak tünelleme etkisi, bir mikropartikülün toplam enerjisinin (tünel açma sırasında değişmeden kalan) bariyerin yüksekliğinden daha az olması durumunda potansiyel bir bariyeri aşma sürecidir. Klasik mekanikte hareket, parçacığın toplam enerjisinin potansiyel enerjisinden büyük olması koşuluyla gerçekleşir; bir eşitsizlik var:
Toplam enerji kinetik ve potansiyel enerjilerin toplamına eşit olduğundan:
ve kinetik enerji sıfırdan büyükse, buna göre toplam ve potansiyel enerjiler arasındaki fark da sıfırdan büyük olacaktır:
ve böylece aşağıdaki koşul karşılanacaktır:
Kutunun içinde potansiyel enerji sıfır olduğundan, potansiyel kutusundaki parçacık hareketi probleminin bu koşulu sağladığına dikkat edilmelidir. Ancak kuantum mekaniğinde toplam enerjinin potansiyel enerjiden küçük olması koşuluyla da hareket mümkündür. Bu tür görevler ortak bir isimle birleştirilir - potansiyel engeller. Dikdörtgen şekilli potansiyel bir bariyer düşünün. I bölgesindeki potansiyel değer sıfır olsun. Bölge II'de potansiyel enerjinin değeri bariyerin yüksekliği ile eşit olarak belirlenir ve dolayısıyla. Bölge III'te potansiyel enerji değeri sıfırdır. Bölgeler için dalga fonksiyonlarını gösterelim: bölge I için, bölge II için ve bölge III için. Bu problemde parçacığın toplam enerjisinin potansiyel bariyerin yüksekliğinden az olduğu durumla ilgileneceğiz; şu şartla.
Şekil 8. Bir parçacığın potansiyel bariyerden geçişi
Üç bölgenin her biri için Schrödinger denklemini yazıp standart forma getiriyoruz ve genel çözümlerini açıklıyoruz. I. bölgedeki bir parçacığın hareketini ele alalım. Bu durumda parçacığın dalga fonksiyonunu gösterelim. Serbest parçacık hareketinde olduğu gibi, buna karşılık gelen Schrödinger denklemi şu şekilde yazılacaktır:
bundan şu sonuç çıkıyor:
I. bölge için Schrödinger denkleminin genel çözümü şu şekilde yazılabilir:
fonksiyonun ilk kısmı potansiyel bariyere gelen bir dalga olarak yorumlanabilir (bölge I'de soldan sağa parçacık hareketi). Katsayılara sırasıyla gelen ve yansıyan dalgaların genlikleri denir. Bir dalganın potansiyel bir bariyerden geçme olasılığının yanı sıra bariyerden yansıma olasılığını da belirlerler. Dalga fonksiyonu ifadesindeki genleşme katsayıları, bariyere doğru hareket eden veya ondan yansıyan parçacık ışınının yoğunluğu ile ilgili olduğundan, buna göre gelen dalganın genliğini alarak aşağıdakilere sahip olacağız:
Şimdi II. bölgedeki bir parçacığın hareketini ele alalım. Bu problemin koşullarında, bizim için fiziksel ilgi, parçacığın toplam enerjisinin, formun bir koşulunun yerine getirilmesine karşılık gelen potansiyel bariyerin yüksekliğinden daha az olması durumu olacaktır:
alan II için:
onlar. Bir parçacığın potansiyel enerjisinin değeri, bariyerin yüksekliğine (bölgenin boyutuna) göre belirlenir:
o zaman bölge II için Schrödinger denklemi şu şekle sahip olacaktır:
bundan şu sonuç çıkıyor:
