Kuantum tünelleme. Kuantum tünelleme süreci

TÜNEL ETKİSİ

(tünelleme), toplamının (T.E.'de çoğunlukla değişmeden kalan) bariyerin yüksekliğinden daha az olması durumunda, bir mikropartikül tarafından potansiyel bir bariyerin aşılması. Yani olay aslında kuantumdur. doğa, klasikte imkansızdır. mekanik; T. e'nin analogu. dalgalar halinde optik, geom açısından bakıldığında, ışığın yansıtıcı ortama (ışık dalga boyu düzeyindeki mesafelerde) nüfuz etmesiyle sağlanabilir. optik oluyor. T. e. çoğulların temelini oluşturur önemli süreçler. ve diyorlar fizik, fizikte. çekirdekler, TV bedenler vb.

T. e. (bkz. KUANTUM MEKANİĞİ) temel alınarak yorumlanır. Klasik ch-tsa potansiyelin içinde olamaz. bariyer yüksekliği V, eğer enerjisi? dürtü p - hayali miktar (m - h-tsy). Ancak bir mikro parçacık için bu sonuç adil değildir: belirsizlik ilişkisinden dolayı parçacık uzayda sabittir. Bariyerin içindeki alan momentumunu belirsiz hale getirir. Dolayısıyla klasik bakış açısına göre yasak olan bir parçacığın içinde mikroparçacığın tespit edilme olasılığı sıfırdan farklıdır. mekanik alanı. Buna göre bir tanım ortaya çıkıyor. potansiyelden geçme olasılığı. bariyer, T. e. Bu olasılık daha büyüktür, maddenin kütlesi ne kadar küçük olursa potansiyel de o kadar dar olur. bariyer ve bariyerin yüksekliğine ulaşmak için daha az enerji eksiktir (V-? farkı ne kadar küçükse). Bir bariyerden geçme olasılığı - Ch. fiziksel belirleyici faktör özellikler T. e. Tek boyutlu potansiyel durumunda. bariyerin böyle bir özelliği katsayıdır. bariyer şeffaflığı, içinden geçen parçacıkların akışının bariyere gelen akışa oranına eşittir. Kapalı bir üretim alanını alttan sınırlayan üç boyutlu bir bariyer olması durumunda. potansiyel enerji (potansiyel kuyusu), yani Bir bireyin bu alanı birim olarak terk etme olasılığı w ile karakterize edilir. zaman; w değeri potansiyel içindeki parçacığın salınım frekansının çarpımına eşittir. bariyerden geçme olasılığı üzerinde çukurlar. Başlangıçta potansiyel olan çaydan “sızıntı” olasılığı. karşılık gelen parçacıkların ћw mertebesinde sonlu bir genişliğe sahip olması ve bunların kendilerinin yarı-durağan hale gelmesi gerçeğine yol açar.

T. e.'nin tezahürüne bir örnek. içinde. fizik güçlü elektrikte atomlara hizmet edebilir. ve güçlü bir elektromanyetik alanda bir atomun iyonlaşması. dalgalar. T. e. radyoaktif çekirdeklerin alfa bozunmasının temelini oluşturur. T. e olmadan. termonükleer reaksiyonların gerçekleşmesi imkansızdır: Coulomb potansiyeli. Füzyon için gerekli olan reaktan çekirdeklerin yakınsamasını önleyen bariyer, kısmen bu tür çekirdeklerin yüksek hızı (yüksek sıcaklık) ve kısmen de termal enerji nedeniyle aşılır. T. e'nin tezahürünün özellikle çok sayıda örneği vardır. Fizik TV'de. cisimler: alan emisyonu, iki PP'nin sınırındaki temas katmanındaki olaylar, Josephson etkisi vb.

Fiziksel ansiklopedik sözlük. - M .: Sovyet Ansiklopedisi. . 1983 .

TÜNEL ETKİSİ

(tünel açma) - klasik kurallar tarafından yasaklanan bir hareket alanı boyunca geçen sistemler 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 bariyerin mümkün olduğu ortaya çıkıyor. 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 . katsayı 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 burada uygulanamaz veya enerji bariyer yüksekliğine yakın olduğunda (yani üs ifadesi küçükse). Dikdörtgen bariyer yüksekliği için sen o ve genişlik A katsayı şeffaflık dosya tarafından belirlenir
Nerede

Bariyerin tabanı sıfır enerjiye karşılık gelir. Yarı klasik dava D birliğe kıyasla küçüktür.

Dr. Bir parçacığın bir bariyerden geçişi probleminin formülasyonu aşağıdaki gibidir. Parçacık başlangıçta olsun zaman içinde an sözde yakın bir durumdadır. geçilemez 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, sanal 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. kuantum sayısı 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 bariyerin duvarları arasındaki parçacık salınımlarının 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 öyle ki eff. olumsuz sayılabilir: 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 ayrıca termonükleer patlamalar veya CTS şeklinde karasal koşullarda.

Zayıf geçirgen bir bariyerle ayrılmış iki özdeş kuyudan oluşan simetrik bir potansiyelde; kuyulardaki durumların müdahalesine 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 oluşma mekanizması budur. Kristallerdeki elektronların kafes bölgelerine güçlü bir şekilde bağlandığı bölgeler.

Yarı iletken bir kristale elektrik akımı uygulanırsa. alanı, daha sonra izin verilen elektron enerjilerinin bölgeleri uzayda eğimli hale gelir. Böylece, posta 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 P- Ve N-temas sınırının her iki tarafına da yazın. Tünel açma, yük taşıyıcısının gittiği bölgede sınırlı sayıda boş durum bulunması nedeniyle meydana gelir.

T. e.'ye teşekkürler. elektrik mümkün ince bir dielektrikle ayrılmış iki metal arasında. bölüm. Bunlar hem normal hem de süperiletken durumda olabilirler. 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 engelini 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 taramalı tünelleme mikroskobu - incelenen yüzeyin farklı noktalarından tünel akımını ölçen ve heterojenliğinin doğası hakkında bilgi sağlayan bir cihaz.

T. e. yalnızca tek parçacıktan oluşan kuantum sistemlerinde mümkün değildir. Dolayısıyla, örneğin kristallerdeki dislokasyonların düşük sıcaklıktaki hareketi, birçok parçacıktan oluşan son parçanın 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: sen, ve eksen boyunca kabartması X kristale uygulanan mekanik kuvvete bağlı olarak her biri diğerinden bir miktar daha düşük olan bir yerel minimum dizisidir. Gerilim. Bu stresin etkisi altındaki bir dislokasyonun hareketi, tanımlanan bitişik minimuma tünel açmaya indirgenir. Bir çıkığın parçası ve daha sonra kalan kısmın orada çekilmesi. Hareketten aynı tür tünel mekanizması sorumlu olabilir yük yoğunluğu dalgaları Peierls dielektrikte (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 sistemler. T. e. hayali kısım önemlidir S, Klasik olarak erişilemeyen bir bölgede dalga fonksiyonunun zayıflamasının belirlenmesi. Bunu hesaplamak için karmaşık yörüngeler yöntemi kullanılır.

Kuantum parçacığı potansiyelin üstesinden geliyor. bariyer termostata bağlanabilir. Klasik olarak Mekanikte bu, sürtünmeli harekete karşılık gelir. Bu nedenle, tünellemeyi tanımlamak için adı verilen bir teoriyi kullanmak gerekir. enerji tüketen kuantum mekaniği. 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 elektronlar tarafından oynanır.

Yandı: Landau L.D., Lifshits E.M., Quantum, 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.

Fiziksel ansiklopedi. 5 cilt halinde. - M .: Sovyet Ansiklopedisi. Genel Yayın Yönetmeni A. M. Prokhorov. 1988 .

Diğer sözlüklerde "TÜNEL ETKİSİ" nin ne olduğunu görün:

Modern ansiklopedi

Enerjisi bariyerin yüksekliğinden daha az olan bir mikropartikülün potansiyel bir bariyerden geçişi; Parçacığın momentumunun (ve enerjilerinin) bariyer bölgesinde yayılmasıyla açıkça açıklanan kuantum etkisi (bkz. Belirsizlik ilkesi). Tünel sonucu... ... Büyük Ansiklopedik Sözlük

Tünel etkisi- TÜNEL ETKİSİ, enerjisi bariyerin yüksekliğinden daha az olan bir mikropartikülün potansiyel bir bariyerden geçişi; parçacığın momentumunun (ve enerjilerinin) bariyer bölgesinde yayılmasıyla (ilkedeki belirsizlik nedeniyle) açıkça açıklanan kuantum etkisi ... Resimli Ansiklopedik Sözlük

tünel etkisi- - [Ya.N.Luginsky, M.S.Fezi Zhilinskaya, Yu.S.Kabirov. İngilizce-Rusça elektrik mühendisliği ve enerji mühendisliği sözlüğü, Moskova, 1999] Elektrik mühendisliğinin konuları, temel kavramlar EN tünel etkisi ... Teknik Çevirmen Kılavuzu

TÜNEL ETKİSİ- (tünelleme), toplam enerjisi bariyerin yüksekliğinden daha az olduğunda bir mikropartikül tarafından potansiyel potansiyelin (bkz.) aşılmasından oluşan kuantum mekaniksel bir olgudur. T. e. mikropartiküllerin dalga özelliklerinden kaynaklanır ve termonükleer akışı etkiler... ... Büyük Politeknik Ansiklopedisi

Kuantum mekaniği ... Vikipedi

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 işliyor. 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 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 ortaya çıkan etkileri içerir. Tünel açma, düşük ve kriyojenik sıcaklık koşulları altında çok sayıda kimyasal prosesin uygulanmasında olağanüstü bir rol oynar.

TÜNEL ETKİSİ klasik yasalara göre, bir kuantum parçacığının uzayın bir bölgesine nüfuz etmesinden oluşan bir kuantum etkisi Fizikte bir parçacığın bulunması yasaktır. Klasik Toplam enerjisi E olan ve potansiyeli olan bir parçacık. alan yalnızca toplam enerjisinin potansiyeli aşmadığı uzay bölgelerinde bulunabilir. alanla etkileşimin enerjisi U. Bir kuantum parçacığının dalga fonksiyonu uzay boyunca sıfır olmadığından ve uzayın belirli bir bölgesinde bir parçacık bulma olasılığı dalga fonksiyonunun modülünün karesi ile verildiğinden, o zaman yasaktır (klasik mekanik açısından) ) bölgelerde dalga fonksiyonu sıfırdan farklıdır.

T Tünel etkisini, U(x) potansiyel alanındaki tek boyutlu bir parçacığın model problemini kullanarak göstermek uygundur (x, parçacığın koordinatıdır). Simetrik çift kuyu potansiyeli durumunda (Şekil a), dalga fonksiyonunun kuyuların içine "sığması" gerekir, yani bu bir duran dalgadır. Ayrık enerji kaynakları Potansiyelin minimumlarını ayıran bariyerin altında yer alan seviyeler yakın aralıklı (neredeyse dejenere) seviyelerdir. Enerji farkı seviyelere, bileşenlere denir. Tünel bölünmesinde bu fark, her bir durum için problemin kesin çözümünün (dalga fonksiyonu) potansiyelin her iki minimumunda lokalize olmasından ve tüm kesin çözümlerin dejenere olmayan seviyelere karşılık gelmesinden kaynaklanmaktadır (bkz.). Tünel etkisinin olasılığı, potansiyel minimumlardan birinde lokalize olan bir parçacığın durağan olmayan durumunu tanımlayan, bariyer boyunca bir dalga paketinin iletim katsayısı ile belirlenir.

Potansiyel eğriler Çekici bir kuvvet tarafından etkilendiğinde (a - iki potansiyel kuyu, b - bir potansiyel kuyu) ve parçacığa itici bir kuvvet etki ettiğinde (itici potansiyel, C). E parçacığın toplam enerjisi, x koordinattır. İnce çizgiler dalga fonksiyonlarını gösterir.

potansiyel olarak E enerjisi c ='deki etkileşim potansiyelinden daha büyük olan bir parçacık için bir yerel minimuma sahip alan (Şekil b), ayrık enerji. devlet yoktur ama büyüklerin ilişki kurduğu bir dizi yarı durağan durum vardır. minimuma yakın bir parçacık bulma olasılığı.

Bu tür yarı-durağan durumlara karşılık gelen dalga paketleri, yarı kararlı olanları tanımlar; Dalga paketleri tünel etkisi nedeniyle yayılır ve kaybolur. Bu durumlar, ömürleri (bozunma olasılığı) ve enerji genişliği ile karakterize edilir. seviye.

Naib. Tünel etkisinin tezahürü için önemlidir: 1) ayrık salınımların tünel bölünmesi, rotasyon. ve elektronik-ortak-lebat.

seviyeleri. Salınımların bölünmesi. birkaçıyla aynı seviyede. eşdeğer denge nükleer konfigürasyonları, ters çevrilmenin (tür olarak) iki katına çıkması, seviyelerin engellenmiş iç ile bölünmesidir. rotasyon ( , ) veya içinde , bunun için mol içi. eşdeğer denge konfigürasyonlarına yol açan yeniden düzenlemeler (örn. PF 5).

Farklı ise eşdeğer minimumlar potansiyele göre ayrılmaz. bariyerler (örneğin, sağ ve sol yönlü kompleksler için denge konfigürasyonları), ardından gerçek iskelelerin yeterli bir açıklaması. sistemler yerelleştirilmiş dalga paketleri kullanılarak elde edilir. Bu durumda, iki minimumda lokalize olan durağan durumlar kararsızdır: çok küçük pertürbasyonların etkisi altında, bir veya daha fazla minimumda lokalize olan iki durumun oluşması mümkündür.

Yarı dejenere grupların bölünmesi dönüşümlü olarak gerçekleşir. durumları (sözde dönme kümeleri) aynı zamanda molün tünellenmesinden kaynaklanmaktadır. Birkaç mahalle arasındaki sistemler. eşdeğer sabit dönme eksenleri. Elektron titreşimlerinin bölünmesi. (vibronik) durumlar, güçlü Jahn-Teller etkileri durumunda ortaya çıkar. Tünel bölünmesi aynı zamanda bireysel veya moleküler durumların elektronik durumları tarafından oluşturulan bantların varlığıyla da ilişkilidir. periyodik parçalar yapı.

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 ilave kinetik enerji verilmediği sürece (örneğin itilerek) asla delikten dışarı çıkmayacaktır. Newton'un mekanik yasalarına 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". Dolayısıyla, potansiyel bariyerin dışında enerji alanı yoğunluğu düzeyi parçacığın sahip olduğu enerjiden düşükse, bu parçacığın gerçek kinetik enerjisi "üstüne çıkmak" için yeterli olmasa bile "denize düşme" şansı vardır. Newtoncu anlamda tahtanın kenarı. Bir parçacığın potansiyel bir bariyerden geçmesine yönelik 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 parçacığın içinden geçme olasılığını hesaplamamıza olanak tanır, çünkü dalga fonksiyonu bariyer tarafından sadece enerjik olarak absorbe edilmez, aynı zamanda çok hızlı bir şekilde - üstel olarak - söner. Başka bir deyişle kuantum mekaniği dünyasındaki potansiyel bariyer bulanıklaştı. 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 güç veren termonükleer füzyon sürecidir (bkz. 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 incelenen yüzey boyunca son derece yakın bir mesafede hareket ettirirken, atom atom hareket ediyor gibi görünüyor. Prob atomlara yakın olduğunda bariyer, probun atomların arasından geçtiği duruma göre daha düşüktür. 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.

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. Şek. Şekil 2, elektron potansiyel enerjisinin koordinata bağımlılığının bir 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 tünelleme 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.