efekt tunelizimi. efekt tuneli

EFEKTI TUNELI, një efekt kuantik që konsiston në depërtimin e një grimce kuantike përmes një zone të hapësirës, në të cilën, sipas ligjeve të klasikes. gjetja e grimcave nga fizika është e ndaluar. Klasike një grimcë që ka një energji totale E dhe është në potencial. fushë, mund të banojë vetëm në ato rajone të hapësirës në të cilat energjia totale e saj nuk e kalon potencialin. energjia U e ndërveprimit me fushën. Meqenëse funksioni valor i një grimce kuantike është jo zero në të gjithë hapësirën dhe probabiliteti për të gjetur një grimcë në një zonë të caktuar të hapësirës jepet nga katrori i modulit të funksionit të valës, atëherë në të ndaluarën (nga pika e pamje e mekanikës klasike) rajone funksioni valor është jo zero.

T Efekti unnel mund të ilustrohet me lehtësi duke përdorur një problem model të një grimce njëdimensionale në fushën potenciale U(x) (x është koordinata e grimcës). Në rastin e një potenciali simetrik me pus të dyfishtë (Fig. a), funksioni i valës duhet të "përshtatet" brenda puseve, d.m.th., është një valë në këmbë. Diskret i energjisë. nivelet, të cilat ndodhen nën barrierën që ndan minimumin e potencialit, formohen ngushtë (pothuajse të degjeneruara). Diferenca e energjisë. nivelet që përbëjnë, të quajtura. ndarja e tunelit, ky ndryshim është për faktin se zgjidhja e saktë e problemit (funksioni valor) për secilën prej tyre është i delokalizuar si në minimumin e potencialit ashtu edhe në të gjitha zgjidhjet ekzakte korrespondojnë me nivele jo të degjeneruara (shih ). Probabiliteti i një efekti tunelizimi përcaktohet nga koeficienti i kalimit nëpër barrierën e një pakete valore, e cila përshkruan gjendjen jostacionare të një grimce të lokalizuar në një nga minimumet e potencialit.

Lakoret e mundshme energjia U (x) e grimcës në rastin kur një forcë tërheqëse vepron mbi të (a - dy puse potenciale, b - një pus potencial), dhe në rastin kur një forcë refuzuese vepron mbi grimcën (potenciali refuzues, c) . E është energjia totale e grimcës, x është koordinata. Vijat e holla tregojnë funksionet e valës.

Potencialisht fushë me një minimum lokal (Fig. b) për një grimcë me energji E më të madhe se potenciali i bashkëveprimit në c =, energjike diskrete. gjendjet mungojnë, por ekziston një grup gjendjesh kuazi-stacionare, në të cilat relativi është i madh. probabiliteti për të gjetur një grimcë afër minimumit. Paketat valore që korrespondojnë me gjendje të tilla kuazi-stacionare përshkruajnë ato metastabile; paketat e valëve turbullohen dhe zhduken për shkak të efektit të tunelit. Këto gjendje karakterizohen nga jetëgjatësia (probabiliteti i kalbjes) dhe gjerësia e energjisë. niveli.

Për një grimcë në një potencial refuzues (Fig. c), paketa e valës që përshkruan gjendjen jo-stacionare në njërën anë të potencialit. pengesë, edhe nëse energjia e grimcës në këtë gjendje është më e vogël se lartësia e barrierës, ajo me një probabilitet të caktuar (i quajtur probabiliteti i depërtimit ose probabiliteti i tunelit) mund të kalojë përgjatë anës tjetër të barrierës.

Naib. të rëndësishme për shfaqjen e efektit të tunelit: 1) ndarja e tunelit të lëkundjeve diskrete., rrotullimi. dhe e-co-lebat. nivelet. Ndarja e dridhjeve. nivele në disa konfigurimet bërthamore ekuivalente të ekuilibrit - ky është një dyfishim i përmbysjes (në lloj), duke ndarë nivelet me ext të penguar. rrotullimi ( , ) ose në , për të cilin vnutrimol. rirregullimet që çojnë në konfigurime ekuivalente të ekuilibrit (p.sh., PF 5). Nëse diff. Minimumet ekuivalente në rezultojnë të ndahen nga potenciali. barrierat (p.sh., konfigurimet e ekuilibrit për kompleksin dekstrorotator dhe levorotator ), pastaj një përshkrim adekuat i skelës reale. sistemet arrihet me ndihmën e paketave valore të lokalizuara. Në këtë rast, gjendjet stacionare të delokalizuara në dy minimume janë të paqëndrueshme: nën veprimin e shqetësimeve shumë të vogla, është i mundur formimi i dy gjendjeve të lokalizuara në një ose një minimum tjetër.

Ndarja e grupeve pothuajse të degjeneruara të rrotullimit. gjendjet (të ashtuquajturat grupime rrotulluese) është gjithashtu për shkak të tunelit që thonë ata. sistemet ndërmjet lagjeve akset ekuivalente të palëvizshme të rrotullimit. Ndarja e dridhjeve të elektroneve. Gjendjet (vibronike) ndodhin në rastin e efekteve të forta Jahn-Teller. Ekzistenca e zonave të formuara nga gjendjet elektronike të individit apo skelës shoqërohet gjithashtu me çarjen e tunelit. fragmente në me periodikë. strukturën.

2) Dukuritë e transferimit të grimcave dhe ngacmimet elementare. Ky grup fenomenesh përfshin procese jo-stacionare që përshkruajnë kalimet ndërmjet gjendjeve diskrete dhe zbërthimin e gjendjeve thuajse stacionare. Kalimet ndërmjet gjendjeve diskrete me funksione valore, të lokalizuara në dekomp. minimumi i një adiabatiku potencial, korrespondojnë me një shumëllojshmëri të kimikateve. r-tionet. Efekti i tunelit gjithmonë jep një kontribut të caktuar në shkallën e p-tion, megjithatë, ky kontribut është i rëndësishëm vetëm në temperatura të ulëta, kur kalimi i mbibarrierës nga gjendja fillestare në gjendjen përfundimtare nuk ka gjasa për shkak të popullsisë së ulët të përkatësisë. nivelet e energjisë. Efekti i tunelit manifestohet në sjelljen jo-Arrhenius të shpejtësisë r-tion; një shembull tipik është rritja e një zinxhiri me një lëndë të ngurtë të inicuar nga rrezatimi. Shpejtësia e këtij procesi në t-re përafërsisht. 140 K është përshkruar në mënyrë të kënaqshme nga ligji Arrhenius me

(Zgjidhja e problemave të bllokut të FIZIKËS, si dhe të blloqeve të tjera, do të lejojë zgjedhjen e TRE personave për raundin ballë për ballë, të cilët kanë shënuar më shumë pikë gjatë zgjidhjes së problemave të KËTË blloku. Për më tepër, sipas rezultateve të raundit ballë për ballë, këta aplikantë do të konkurrojnë për një nominim të veçantë " Fizika e nanosistemeve". Edhe 5 persona të tjerë me rezultatin më të lartë do të përzgjidhen për raundin ballë për ballë. absolute numri i pikëve, kështu që pas zgjidhjes së problemeve në specialitetin tuaj, ka kuptim të plotë për të zgjidhur problemet nga blloqet e tjera. )

Një nga ndryshimet kryesore midis nanostrukturave dhe trupave makroskopikë është varësia e vetive të tyre kimike dhe fizike nga madhësia. Një shembull i qartë i kësaj është efekti i tunelit, i cili konsiston në depërtimin e grimcave të dritës (elektron, proton) në rajone që janë energjikisht të paarritshme për to. Ky efekt luan një rol të rëndësishëm në procese të tilla si transferimi i ngarkesës në pajisjet fotosintetike të organizmave të gjallë (duhet theksuar se qendrat e reagimit biologjik janë ndër nanostrukturat më efikase).

Efekti i tunelit mund të shpjegohet nga natyra valore e grimcave të dritës dhe parimi i pasigurisë. Për shkak të faktit se grimcat e vogla nuk kanë një pozicion të caktuar në hapësirë, nuk ekziston koncepti i një trajektoreje për to. Rrjedhimisht, për të lëvizur nga një pikë në tjetrën, grimca nuk duhet të kalojë përgjatë vijës që i lidh ato, dhe kështu mund të "anashkalojë" rajonet e ndaluara nga energjia. Për shkak të mungesës së një koordinate të saktë për një elektron, gjendja e tij përshkruhet duke përdorur një funksion valor që karakterizon shpërndarjen e probabilitetit përgjatë koordinatës. Figura tregon një formë tipike të funksionit të valës gjatë tunelit nën barrierën e energjisë.

Probabiliteti fq depërtimi i elektroneve nëpër barrierën potenciale varet nga lartësia U dhe gjerësia e të fundit l ( Formula 1, majtas), Ku mështë masa e elektronit, Eështë energjia e elektronit, h është konstanta e Plankut me një shirit.

1. Përcaktoni probabilitetin që një elektron të shkojë në një distancë prej 0,1 nm nëse diferenca e energjisëU-E = 1 eV ( 2 pikë). Llogaritni diferencën e energjisë (në eV dhe kJ/mol) në të cilën një elektron mund të tunele nëpër një distancë prej 1 nm me një probabilitet prej 1% ( 2 pikë).

Një nga pasojat më të dukshme të efektit të tunelit është varësia e pazakontë e konstantës së shpejtësisë së një reaksioni kimik nga temperatura. Ndërsa temperatura zvogëlohet, konstanta e shpejtësisë nuk priret në 0 (siç mund të pritet nga ekuacioni Arrhenius), por në një vlerë konstante, e cila përcaktohet nga probabiliteti i tunelit bërthamor p( f formula 2, majtas), ku Aështë faktori paraeksponencial, E A është energjia e aktivizimit. Kjo mund të shpjegohet me faktin se në temperatura të larta vetëm ato grimca energjia e të cilave është më e lartë se energjia e pengesës hyjnë në reaksion, ndërsa në temperatura të ulëta reagimi vazhdon ekskluzivisht për shkak të efektit të tunelit.

2. Nga të dhënat eksperimentale më poshtë, përcaktoni energjinë e aktivizimit dhe probabilitetin e tunelit ( 3 pikë).

	k(T), s – 1

Pajisjet moderne elektronike kuantike përdorin efektin e tunelit rezonant. Ky efekt manifestohet nëse një elektron ndeshet me dy barriera të ndara nga një pus potencial. Nëse energjia e elektronit përkon me një nga nivelet e energjisë në pus (kjo është gjendja e rezonancës), atëherë probabiliteti total i tunelit përcaktohet duke kaluar nëpër dy barriera të holla; priret në 0.

3. Krahasoni probabilitetet e tunelimit të elektroneve rezonante dhe jorezonante për parametrat e mëposhtëm: gjerësia e secilës prej barrierave është 0,5 nm, gjerësia e pusit midis barrierave është 2 nm, lartësia e të gjitha barrierave potenciale në lidhje me energjinë e elektronit është 0,5 eV ( 3 pikë). Cilat pajisje përdorin parimin e tunelit ( 3 pikë)?

EFEKTI TUNELI

(tunelizim), kapërcimi i një pengese potenciale nga një mikrogrimcë në rastin kur totali i saj (që mbetet kryesisht i pandryshuar në T. e.) është më i vogël se lartësia e barrierës. T. e. është në thelb një fenomen kuantik. natyra, e pamundur në klasik. mekanikë; analog i T. e. në valë. optika mund të shërbejë si depërtim i dritës brenda mediumit reflektues (në distanca të rendit të gjatësisë së valës së dritës) në kushtet kur, nga pikëpamja e gjeom. optika po vazhdon. T. e. qëndron në bazën e procese të rëndësishme në në. dhe skelë. fizikë, në fizikë në. bërthama, TV trupi etj.

T. e. interpretuar në bazë të (shih MEKANIKËN KUANTUME). Klasike h-tsa nuk mund të jetë brenda potencialit. lartësia e pengesës V, nëse energjia e saj? momenti p - vlera imagjinare (m - h-tsy). Megjithatë, për një mikrogrimcë, ky përfundim është i padrejtë: për shkak të lidhjes së pasigurisë, fiksimi i p-tsy në hapësira. rajoni brenda barrierës e bën momentin e tij të pasigurt. Prandaj, ekziston një probabilitet jo zero për të zbuluar një mikrogrimcë brenda një të ndaluar nga pikëpamja e klasikes. mekanika e zonës. Prandaj, shfaqet një përkufizim. probabiliteti për të kaluar përmes potencialit. pengesë, e cila korrespondon me T. e. Kjo probabilitet është sa më e madhe, sa më e vogël të jetë masa e p-tsy, aq më e ngushtë është fuqia. barrierë dhe aq më pak energji nevojitet për të arritur lartësinë e barrierës (aq më i vogël diferenca V-?). Probabiliteti i kalimit përmes pengesës - kap. faktori që përcakton fizik karakteristikat T. e. Në rastin e një potenciali njëdimensional barrierë një karakter i tillë është koeficienti. transparenca e barrierës, e barabartë me raportin e rrjedhës së grimcave që kalojnë përmes saj me rrjedhën që bie mbi pengesë. Në rastin e një pengese tre-dimensionale që kufizon një zonë të mbyllur të pr-va me më të ulët. i fuqishëm. energjia (vrima potenciale), T. e. karakterizohet nga probabiliteti w i daljes së h-tsy nga kjo zonë në njësi. koha; vlera e w është e barabartë me produktin e frekuencës së lëkundjeve h-tsy brenda tenxhere. gropa mbi probabilitetin e kalimit nëpër barrierë. Mundësia e "rrjedhjes" jashtë wh-tsy, fillimisht në potencë. mirë, çon në faktin se p-z përkatëse fitojnë një gjerësi të fundme të rendit të ћw, dhe këto vetë bëhen kuazi-stacionare.

Një shembull i manifestimit të T. e. në në. fizika mund të shërbejë si një atom në një elektricitet të fortë. dhe jonizimi i një atomi në fushën e një el.-mag të fortë. valët. T. e. qëndron në themel të zbërthimit alfa të bërthamave radioaktive. Pa T. e. do të ishte e pamundur që të ndodhnin reaksione termonukleare: potenciali i Kulonit. barriera që pengon konvergjencën e bërthamave reaktante të nevojshme për sintezë është kapërcyer pjesërisht për shkak të shpejtësisë së lartë (temperaturës së lartë) të bërthamave të tilla, dhe pjesërisht për shkak të TE. Sidomos të shumtë janë shembujt e manifestimeve të T. e. në fizikën televizive. trupat: emetimi në terren, dukuritë në shtresën e kontaktit në kufirin e dy PP-ve, efekti Josephson, etj.

Fjalor Enciklopedik Fizik. - M.: Enciklopedia Sovjetike. . 1983 .

EFEKTI TUNELI

(tunelimi) - sisteme përmes zonës së lëvizjes të ndaluar nga klasikja. mekanika. Një shembull tipik i një procesi të tillë është kalimi i një grimce përmes pengesë e mundshme, kur energjia e saj më pak se lartësia e barrierës. momenti i grimcave R në këtë rast, përcaktohet nga relacioni Ku U(x)- i fuqishëm. energjia e grimcave ( T - masë) do të ishte në rajonin brenda barrierës, një sasi imagjinare. NË Mekanika kuantike falë lidhje pasigurie ndërmjet momentit dhe nënbarrierës koordinative rezulton të jetë e mundur. Funksioni valor i grimcës në këtë rajon zbërthehet në mënyrë eksponenciale dhe në atë gjysmëklasike rasti (shih Përafrim gjysmëklasik) amplituda e saj në pikën e daljes nga poshtë barrierës është e vogël.

Një nga deklaratat problemore në lidhje me kalimin e potencialeve. barriera korrespondon me rastin kur një rrjedhë e qëndrueshme grimcash bie mbi barrierë dhe kërkohet të gjendet vlera e rrjedhës së kaluar. Për probleme të tilla, futet koeficienti. transparenca e pengesës (koeficienti i tranzicionit të tunelit) D, e barabartë me raportin e intensiteteve të rrymave të kaluara dhe incidente. Nga kthyeshmëria në kohë rezulton se koeficienti. transparencat për kalimet në drejtimet "përpara" dhe të kundërta janë të njëjta. Në rastin njëdimensional, koeficienti transparenca mund të shkruhet si

integrimi kryhet në një rajon klasik të paarritshëm, X 1,2 - pikat e kthesës të përcaktuara nga kushti Në pikat e kthesës në kufirin e klasikes. mekanika, momenti i grimcave zhduket. Koefi. D 0 kërkon për përcaktimin e tij zgjidhjen e saktë të kuanto-mekanike. detyrat.

Në kushtet e gjysmëklasicitetit

në të gjithë barrierën, me përjashtim të asaj të menjëhershme lagjet e pikave të kthesës x 1,2 . Koeficient D 0 është paksa i ndryshëm nga uniteti. Krijesat. ndryshim D 0 nga uniteti mund të jetë, për shembull, në rastet kur potenca. energjia nga njëra anë e barrierës shkon aq thellë sa është gjysmëklasike. nuk zbatohet atje, ose kur energjia është afër lartësisë së pengesës (d.m.th., shprehja në eksponent është e vogël). Për një lartësi barriere drejtkëndore U rreth dhe gjerë A Koeficient transparenca përcaktohet nga f-loy
Ku

Baza e pengesës korrespondon me energji zero. Në gjysmëklasike rast D i vogël në krahasim me unitetin.

Dr. Paraqitja e problemit të kalimit të një grimce përmes një pengese është si më poshtë. Lëreni grimcën në fillim. momenti i kohës është në një gjendje të afërt me të ashtuquajturën. gjendje stacionare, e cila do të kishte ndodhur me një pengesë të padepërtueshme (për shembull, me një pengesë të ngritur larg nga vrima e mundshme në një lartësi më të madhe se energjia e grimcës së emetuar). Një gjendje e tillë është kuazi-stacionare. Ngjashëm me gjendjet stacionare, varësia e funksionit valor të një grimce nga koha jepet në këtë rast nga faktori Këtu, sasia komplekse shfaqet si energji E, pjesa imagjinare e së cilës përcakton probabilitetin e prishjes së një gjendjeje kuazi-stacionare për njësi të kohës për shkak të T. e.:

Në gjysmëklasike përafrim, probabiliteti i dhënë f-loy (3), përmban eksponencial. një faktor i të njëjtit lloj si në-f-le (1). Në rastin e një tenxhere simetrike sferike. barriera është probabiliteti i zbërthimit të një gjendje kuazi-stacionare nga orbitat. numër kuantik l përcaktuar nga f-loy

Këtu r 1,2 janë pika kthese radiale, integrandi në të cilin është i barabartë me zero. Faktori w 0 varet nga natyra e lëvizjes në pjesën e lejuar klasike të potencialit, për shembull. ai është proporcional. klasike frekuenca e lëkundjeve të grimcave ndërmjet mureve të barrierës.

T. e. bën të mundur kuptimin e mekanizmit të a-zbërthimit të bërthamave të rënda. Vepron elektrostatike midis - grimcës dhe bërthamës së bijës. zmbrapsja e përcaktuar nga f-loy Në distanca të vogla të rendit të madhësisë A bërthamat janë të tilla që eff. mund të konsiderohet negative. Si rezultat, probabiliteti A-prishja jepet nga raporti

Këtu është energjia e grimcës a të emetuar.

T. e. përcakton mundësinë e reaksioneve termonukleare në Diell dhe yje në temperatura prej dhjetëra dhe qindra miliona gradë (shih. evolucioni i yjeve) si dhe në kushte tokësore në formën e shpërthimeve termonukleare ose CTS.

Në një potencial simetrik të përbërë nga dy puse identike të ndara nga një pengesë e dobët e përshkueshme, T. e. çon në ndërhyrje të gjendjeve në puse, gjë që çon në një ndarje të dobët të dyfishtë të niveleve diskrete të energjisë (i ashtuquajturi ndarje inversioni; shih më poshtë). Spektrat molekularë). Për një grup të pafund vrimash periodike në hapësirë, çdo nivel kthehet në një zonë energjish. Ky është mekanizmi për formimin e energjisë së ngushtë elektronike. zona në kristale me lidhje të fortë të elektroneve në vendet e rrjetës.

Nëse një elektrik aplikohet në një kristal gjysmëpërçues. fushë, atëherë zonat e energjive të lejuara të elektroneve bëhen të prirura në hapësirë. Kështu, niveli i postimit Energjia e elektroneve kalon të gjitha brezat. Në këto kushte, kalimi i një elektroni nga një energji bëhet i mundur. zona në një tjetër për shkak të T. e. Rajoni klasik i paarritshëm në këtë rast është zona e energjive të ndaluara. Ky fenomen quhet Testi Zener. Kuaziklasike përafrimi korrespondon këtu me një vlerë të vogël të forcës elektrike. fusha. Në këtë kufi, probabiliteti i prishjes së Zener përcaktohet kryesisht. eksponent, në eksponent, një prerje është një negativ i madh. një vlerë proporcionale me raportin e gjerësisë së energjisë së ndaluar. brezat e energjisë së fituar nga një elektron në një fushë të aplikuar në një distancë të barabartë me madhësinë e qelizës njësi.

Një efekt i ngjashëm shfaqet në diodat e tunelit, në të cilat zonat janë të prirura për shkak të gjysmëpërçuesve R- Dhe n-shkruani në të dy anët e kufirit të kontaktit të tyre. Tuneli kryhet për faktin se në zonën ku kalon transportuesi i ngarkesës, ekziston një gjendje e kufizuar e papushtuar.

Falë T. e. elektrike e mundur. ndërmjet dy metaleve të ndara nga një dielektrik i hollë. ndarje. Këto mund të jenë si në gjendje normale ashtu edhe në gjendje superpërcjellëse. Në rastin e fundit, mund të ketë Efekti Josephson.

T. e. i detyrohen dukurive të tilla që ndodhin në elektricitet të fortë. fushat, si autoionizimi i atomeve (shih Jonizimi në terren) Dhe emetimi në terren nga metalet. Në të dyja rastet elektrike fusha formon një barrierë të transparencës së fundme. Sa më i fortë të jetë elektrike fushë, aq më transparente është pengesa dhe aq më e fortë është rryma e elektronit nga metali. Bazuar në këtë parim mikroskopi skanues i tunelit - një pajisje që mat rrymën e tunelit nga pika të ndryshme të sipërfaqes në studim dhe jep informacion për natyrën e johomogjenitetit të tij.

T. e. është e mundur jo vetëm në sistemet kuantike që përbëhen nga një grimcë. Për shembull, lëvizja në temperaturë të ulët e dislokimeve në kristale mund të shoqërohet me tunelizimin e pjesës përfundimtare të , e cila përbëhet nga shumë grimca. Në probleme të tilla, një zhvendosje lineare mund të përfaqësohet si një varg elastik që fillimisht shtrihet përgjatë boshtit në në një nga minimumet lokale të potencialit V(x, y). Ky potencial nuk varet nga y, dhe relievi i tij përgjatë boshtit Xështë një sekuencë minimale lokale, secila prej të cilave është nën tjetrën me një sasi në varësi të mekanikës së aplikuar në kristal. tensionit. Lëvizja e një dislokimi nën veprimin e këtij stresi reduktohet në tunelim në minimumin fqinj të një vlere të caktuar. segmenti i dislokimit, i ndjekur nga tërheqja e pjesës tjetër të tij atje. I njëjti lloj mekanizmi tunelimi mund të jetë përgjegjës për lëvizjen valët e densitetit të ngarkesës në një dielektrik Peierls (shih tranzicioni i Peierls).

Për të llogaritur efektet e tunelit të sistemeve të tilla kuantike shumëdimensionale, është e përshtatshme të përdoret metoda gjysmëklasike. paraqitja e funksionit valor në formë Ku S- klasike sistemeve. Për T. e. pjesë esenciale imagjinare S, që përcakton zbutjen e funksionit valor në rajonin klasik të paarritshëm. Për ta llogaritur atë, përdoret metoda e trajektoreve komplekse.

Një grimcë kuantike që kapërcen potencialin. pengesë, mund të lidhet me një termostat. Në klasiken mekanika, kjo korrespondon me lëvizjen me fërkim. Kështu, për të përshkruar tunelizimin, është e nevojshme të përfshihet një teori e quajtur. mekanika kuantike disipative. Konsiderata të këtij lloji duhet të përdoren për të shpjeguar jetëgjatësinë e fundme të gjendjeve aktuale të kryqëzimeve Josephson. Në këtë rast, ndodh tunelizimi i eff. grimca kuantike përmes barrierës, dhe roli i termostatit luhet nga elektronet.

Lit.: Landau L. D., Lifshits E. M., Kvantovaya, botimi i 4-të, M., 1989; Ziman J., Parimet e teorisë së gjendjes së ngurtë, përkth. nga anglishtja, botimi i dytë, M., 1974; Baz A. I., Zeldovich Ya. B., Perelomov A. M., Shpërndarja, reagimet dhe zbërthimet në mekanikën kuantike jorelativiste, botimi i dytë, M., 1971; Dukuritë e tunelizimit në trupat e ngurtë, përkth. nga anglishtja, M., 1973; Likharev K.K., Hyrje në dinamikën e kryqëzimeve Josephson, Moskë, 1985. B. I. Ivlev.

Enciklopedi fizike. Në 5 vëllime. - M.: Enciklopedia Sovjetike. Kryeredaktori A. M. Prokhorov. 1988 .

Shihni se çfarë është "EFEKTI TUNNEL" në fjalorë të tjerë:

Enciklopedia moderne

Kalimi nëpër pengesën potenciale të një mikrogrimce, energjia e së cilës është më e vogël se lartësia e pengesës; efekti kuantik, i shpjeguar qartë nga përhapja e momentit (dhe energjive) të një grimce në rajonin e barrierës (shih parimin e pasigurisë). Si rezultat i tunelit ... ... Fjalori i madh enciklopedik

efekt tuneli- EFEKT TUNELI, kalim përmes një pengese potenciale të një mikrogrimce, energjia e së cilës është më e vogël se lartësia e barrierës; efekti kuantik, i shpjeguar qartë nga përhapja e momentit (dhe energjive) të grimcave në rajonin e pengesës (për shkak të pasigurisë së parimit) ... Fjalor Enciklopedik i Ilustruar

efekt tuneli- - [Ya.N. Luginsky, M.S. Fezi Zhilinskaya, Yu.S. Kabirov. Fjalor Anglisht Rusisht i Inxhinierisë Elektrike dhe Industrisë së Energjisë, Moskë, 1999] Temat në inxhinierinë elektrike, konceptet themelore të efektit të tunelit EN ... Manuali i Përkthyesit Teknik

EFEKTI TUNELI- (tunelizim) një fenomen mekanik kuantik, i cili konsiston në kapërcimin e një mikrogrimce potenciale (shih), kur energjia totale e saj është më e vogël se lartësia e barrierës. T. e. për shkak të vetive valore të mikrogrimcave dhe ndikon në rrjedhën e termobërthamore ... ... Enciklopedia e Madhe Politeknike

Mekanika kuantike ... Wikipedia

Ekziston mundësia që një grimcë kuantike të depërtojë në pengesë, e cila është e pakapërcyeshme për një grimcë elementare klasike.

Imagjinoni një top që rrotullohet brenda një vrime sferike të gërmuar në tokë. Në çdo moment në kohë, energjia e topit shpërndahet midis energjisë së tij kinetike dhe energjisë potenciale të gravitetit në një proporcion në varësi të lartësisë së topit në raport me fundin e vrimës (sipas ligjit të parë të termodinamikës). . Kur topi arrin buzën e vrimës, dy skenarë janë të mundshëm. Nëse energjia totale e tij tejkalon energjinë potenciale të fushës gravitacionale, të përcaktuar nga lartësia e pikës së vendndodhjes së topit, ajo do të kërcejë nga vrima. Nëse energjia totale e topit është më e vogël se energjia potenciale e gravitetit në nivelin e anës së vrimës, topi do të rrokulliset poshtë, përsëri në vrimë, drejt anës së kundërt; në momentin kur energjia potenciale është e barabartë me energjinë totale të topit, ai do të ndalet dhe do të kthehet prapa. Në rastin e dytë, topi nuk do të rrokulliset kurrë nga vrima, përveç nëse i jepet energji kinetike shtesë - për shembull, duke e shtyrë atë. Sipas ligjeve të mekanikës së Njutonit , topi nuk do të largohet kurrë nga vrima pa i dhënë një vrull shtesë nëse nuk ka energji të mjaftueshme për t'u rrokullisur në det.

Tani imagjinoni që anët e gropës ngrihen mbi sipërfaqen e tokës (si krateret hënore). Nëse topi arrin të kalojë mbi anën e ngritur të një grope të tillë, ai do të rrokulliset më tej. Është e rëndësishme të mbani mend se në botën njutoniane të topit dhe vrimës, vetë fakti që topi rrotullohet mbi anën e vrimës nuk ka kuptim nëse topi nuk ka energji të mjaftueshme kinetike për të arritur skajin e sipërm. Nëse ai nuk arrin skajin, ai thjesht nuk do të dalë nga gropa dhe, në përputhje me rrethanat, në asnjë rrethanë, me asnjë shpejtësi, nuk do të rrokulliset diku më tej, pavarësisht se në çfarë lartësie mbi sipërfaqe është skaji i anës jashtë .

Në botën e mekanikës kuantike, gjërat janë të ndryshme. Imagjinoni që ka një grimcë kuantike në një pus të tillë. Në këtë rast, nuk po flasim më për një pus të vërtetë fizik, por për një situatë të kushtëzuar kur një grimcë ka nevojë për një sasi të caktuar energjie të nevojshme për të kapërcyer pengesën që e pengon atë të dalë nga ajo që fizikanët kanë rënë dakord të quajnë. "vrima e mundshme". Kjo gropë gjithashtu ka një analog energjie të anës - të ashtuquajturit "pengesa e mundshme". Pra, nëse jashtë barrierës së mundshme niveli i fuqisë së fushës së energjisë është më i ulët , se sa energjia e zotëruar nga një grimcë, ajo ka një shans të jetë "jashtë bordit", edhe nëse energjia reale kinetike e kësaj grimce nuk është e mjaftueshme për të "kaluar" mbi skajin e tabelës në kuptimin Njutonian. Ky mekanizëm i kalimit të një grimce përmes një pengese potenciale quhet efekti i tunelit kuantik.

Ajo funksionon kështu: në mekanikën kuantike, një grimcë përshkruhet në termat e një funksioni valor, i cili lidhet me probabilitetin që grimca të jetë në një vend të caktuar në një kohë të caktuar. Nëse një grimcë përplaset me një pengesë potenciale, ekuacioni i Shrodingerit bën të mundur llogaritjen e probabilitetit që një grimcë të depërtojë përmes saj, pasi funksioni i valës jo vetëm që absorbohet energjikisht nga barriera, por shuhet shumë shpejt, në mënyrë eksponenciale. Me fjalë të tjera, pengesa e mundshme në botën e mekanikës kuantike është e paqartë. Sigurisht, ai parandalon lëvizjen e grimcave, por nuk është një kufi i fortë dhe i padepërtueshëm, siç është rasti në mekanikën klasike të Njutonit.

Nëse barriera është mjaft e ulët, ose nëse energjia totale e grimcës është afër pragut, funksioni i valës, megjithëse zvogëlohet me shpejtësi ndërsa grimca i afrohet skajit të pengesës, i lë një shans për ta kapërcyer atë. Kjo do të thotë, ekziston një probabilitet i caktuar që grimca të gjendet në anën tjetër të pengesës së mundshme - në botën e mekanikës Njutoniane, kjo do të ishte e pamundur. Dhe meqenëse grimca ka kaluar mbi skajin e pengesës (le të jetë në formën e një krateri hënor), ajo lirisht do të rrokulliset poshtë shpatit të saj të jashtëm larg nga gropa nga e cila doli.

Një tranzicion i tunelit kuantik mund të shihet si një lloj "rrjedhjeje" ose "rrjedhjeje" e një grimce përmes një pengese potenciale, pas së cilës grimca largohet nga pengesa. Ka mjaft shembuj të fenomeneve të tilla në natyrë, si dhe në teknologjitë moderne. Le të marrim një zbërthim tipik radioaktiv: një bërthamë e rëndë lëshon një grimcë alfa, e përbërë nga dy protone dhe dy neutrone. Nga njëra anë, ky proces mund të imagjinohet në atë mënyrë që një bërthamë e rëndë mban një grimcë alfa brenda vetes me anë të forcave lidhëse intranukleare, ashtu si topi u mbajt në një vrimë në shembullin tonë. Sidoqoftë, edhe nëse grimca alfa nuk ka energji të mjaftueshme të lirë për të kapërcyer pengesën e lidhjeve intranukleare, ekziston ende mundësia e shkëputjes së saj nga bërthama. Dhe duke vëzhguar rrezatimin spontan alfa, marrim konfirmimin eksperimental të realitetit të efektit të tunelit.

Një shembull tjetër i rëndësishëm i efektit të tunelit është procesi i shkrirjes termonukleare që ushqen energjinë e një ylli ( cm. evolucioni i yjeve). Një nga fazat e shkrirjes termonukleare është përplasja e dy bërthamave të deuteriumit (një proton dhe një neutron secila), si rezultat i së cilës formohet një bërthamë helium-3 (dy protone dhe një neutron) dhe një neutron emetohet. Sipas ligjit të Kulombit, midis dy grimcave me të njëjtën ngarkesë (në këtë rast, protoneve që përbëjnë bërthamat e deuteriumit) ekziston një forcë e fuqishme e zmbrapsjes së ndërsjellë - domethënë ekziston një pengesë e fuqishme potenciale. Në botën e Njutonit, bërthamat e deuteriumit thjesht nuk mund të afroheshin aq sa duhet për të sintetizuar një bërthamë heliumi. Megjithatë, në brendësi të yjeve, temperatura dhe presioni janë aq të larta sa që energjia e bërthamave i afrohet pragut të shkrirjes së tyre (në kuptimin tonë, bërthamat janë pothuajse në skajin e barrierës), si rezultat i së cilës Efekti i tunelit fillon të funksionojë, ndodh shkrirja termonukleare - dhe yjet shkëlqejnë.

Së fundi, efekti i tunelit tashmë po përdoret në praktikë në teknologjinë e mikroskopëve elektronikë. Veprimi i këtij mjeti bazohet në faktin se maja metalike e sondës i afrohet sipërfaqes nën ekzaminim në një distancë jashtëzakonisht të vogël. Në këtë rast, pengesa potenciale nuk lejon që elektronet nga atomet e metaleve të rrjedhin në sipërfaqen në studim. Kur lëvizni sondën në një distancë jashtëzakonisht të afërt përgjatë të sipërfaqes në studim, ai, si të thuash, kalon atom për atom. Kur sonda është në afërsi të atomeve, pengesa është më e ulët , sesa kur sonda kalon në boshllëqet ndërmjet tyre. Prandaj, kur pajisja "përshkon" një atom, rryma rritet për shkak të rritjes së rrjedhjes së elektroneve si rezultat i efektit të tunelit, dhe në boshllëqet midis atomeve, rryma zvogëlohet. Kjo na lejon të studiojmë strukturat atomike të sipërfaqeve në mënyrën më të detajuar, fjalë për fjalë "i hartësuar" ato. Nga rruga, mikroskopët elektronikë japin vetëm konfirmimin përfundimtar të teorisë atomike të strukturës së materies.

EFEKTI TUNELI(tunelizim) - kalim kuantik i sistemit nëpër rajonin e lëvizjes, klasik i ndaluar. mekanika. Një shembull tipik i një procesi të tillë është kalimi i një grimce përmes pengesë potenciale kur energjia e saj më pak se lartësia e barrierës. momenti i grimcave R në këtë rast, përcaktohet nga relacioni Ku U(x)- i fuqishëm. energjia e grimcave ( T- masë) do të ishte në zonën brenda barrierës, një sasi imagjinare. NË Mekanika kuantike falë lidhje pasigurie ndërmjet momentit dhe koordinatës, lëvizja e nënbarrierës është e mundur. Funksioni valor i grimcës në këtë rajon zbërthehet në mënyrë eksponenciale dhe në atë gjysmëklasike rasti (shih Përafrim gjysmëklasik) amplituda e saj në pikën e daljes nga poshtë barrierës është e vogël.

Një nga deklaratat problemore në lidhje me kalimin e potencialeve. barriera korrespondon me rastin kur një rrjedhë e qëndrueshme grimcash bie mbi barrierë dhe kërkohet të gjendet vlera e rrjedhës së kaluar. Për probleme të tilla, futet koeficienti. transparenca e pengesës (koeficienti i tranzicionit të tunelit) D, i barabartë me raportin e intensiteteve të rrjedhave të së shkuarës dhe incidentit. Nga kthyeshmëria në kohë rezulton se koeficienti. transparencat për kalimet në drejtimet "përpara" dhe të kundërta janë të njëjta. Në rastin njëdimensional, koeficienti transparenca mund të shkruhet si

Në kushtet e gjysmëklasicitetit

në të gjithë barrierën, me përjashtim të asaj të menjëhershme lagjet e pikave të kthesës x 1.2 shanset D 0 është paksa i ndryshëm nga uniteti. Krijesat. ndryshim D 0 nga uniteti mund të jetë, për shembull, në rastet kur potenca. energjia nga njëra anë e barrierës shkon aq thellë sa është gjysmëklasike. përafrimi nuk është i zbatueshëm atje, ose kur energjia është afër lartësisë së pengesës (d.m.th., shprehja në eksponent është e vogël). Për një lartësi barriere drejtkëndore U rreth dhe gjerë A Koeficient transparenca përcaktohet nga f-loy
Ku

Baza e pengesës korrespondon me energji zero. Në gjysmëklasike rast D i vogël në krahasim me unitetin.

T. e. bën të mundur kuptimin e mekanizmit të a-zbërthimit të bërthamave të rënda. Vepron elektrostatike midis grimcës dhe bërthamës së bijës. zmbrapsja e përcaktuar nga f-loy Në distanca të vogla të rendit të madhësisë A bërthamat janë të tilla që eff. potenciali mund të konsiderohet negativ: Si rezultat, probabiliteti A-prishja jepet nga raporti

Këtu është energjia e grimcës a të emetuar.

T. e. përcakton mundësinë e reaksioneve termonukleare në Diell dhe yje në temperatura prej dhjetëra dhe qindra miliona gradë (shih. Evolucioni i yjeve), si dhe në kushte tokësore në formën e shpërthimeve termonukleare ose CTS.

Në një potencial simetrik të përbërë nga dy puse identike të ndara nga një pengesë e dobët e përshkueshme, T. e. çon në gjendje në puse, gjë që çon në një ndarje të dobët të dyfishtë të niveleve diskrete të energjisë (i ashtuquajturi ndarje inversioni; shih më poshtë). Spectra molekulare). Për një grup të pafund vrimash periodike në hapësirë, çdo nivel kthehet në një zonë energjish. Ky është mekanizmi për formimin e energjisë së ngushtë elektronike. zona në kristale me lidhje të fortë të elektroneve në vendet e rrjetës.

Një efekt i ngjashëm shfaqet në diodat e tunelit, në të cilat zonat janë të prirura për shkak të gjysmëpërçuesve R- Dhe n-shkruani në të dy anët e kufirit të kontaktit të tyre. Tuneli kryhet për faktin se në zonën ku kalon transportuesi, ka një densitet të kufizuar të gjendjeve boshe.

Falë T. e. elektrike e mundur. rrymë ndërmjet dy metaleve të ndara nga një dielektrik i hollë. ndarje. Këto metale mund të jenë në gjendje normale dhe superpërcjellëse. Në rastin e fundit, mund të ketë efekti josephson.

T. e. i detyrohen dukurive të tilla që ndodhin në elektricitet të fortë. fushat, si autoionizimi i atomeve (shih Jonizimi në terren) Dhe emetimi në terren nga metalet. Në të dyja rastet elektrike fusha formon një barrierë të transparencës së fundme. Sa më i fortë të jetë elektrike fushë, aq më transparente është pengesa dhe aq më e fortë është rryma e elektronit nga metali. Bazuar në këtë parim mikroskopi skanues i tunelit- një pajisje që mat rrymën e tunelit nga pika të ndryshme të sipërfaqes në studim dhe jep informacion për natyrën e johomogjenitetit të tij.

T. e. është e mundur jo vetëm në sistemet kuantike që përbëhen nga një grimcë. Për shembull, lëvizja në temperaturë të ulët në kristale mund të shoqërohet me tunelizimin e pjesës përfundimtare të dislokimit, i cili përbëhet nga shumë grimca. Në probleme të tilla, një zhvendosje lineare mund të përfaqësohet si një varg elastik që fillimisht shtrihet përgjatë boshtit në në një nga minimumet lokale të potencialit V(x, y). Ky potencial nuk varet nga në, dhe relievi i tij përgjatë boshtit Xështë një sekuencë minimale lokale, secila prej të cilave është nën tjetrën me një sasi në varësi të mekanikës së aplikuar në kristal. . Lëvizja e një dislokimi nën veprimin e këtij stresi reduktohet në tunelim në minimumin fqinj të një vlere të caktuar. segmenti i dislokimit, i ndjekur nga tërheqja e pjesës tjetër të tij atje. I njëjti lloj mekanizmi tunelimi mund të jetë përgjegjës për lëvizjen valët e densitetit të ngarkesës në Peierls (krh. Tranzicioni i Peierls).

Për të llogaritur efektet e tunelit të sistemeve të tilla kuantike shumëdimensionale, është e përshtatshme të përdoret metoda gjysmëklasike. paraqitja e funksionit valor në formë Ku S- klasike veprimin e sistemit. Për T. e. pjesë esenciale imagjinare S, i cili përcakton zbutjen e funksionit të valës në një rajon klasik të paarritshëm. Për ta llogaritur atë, përdoret metoda e trajektoreve komplekse.

Një grimcë kuantike që kapërcen potencialin. pengesë, mund të lidhet me një termostat. Në klasiken mekanika, kjo korrespondon me lëvizjen me fërkim. Kështu, për të përshkruar tunelizimin, është e nevojshme të përfshihet një teori e quajtur. shpërhapëse . Konsiderata të këtij lloji duhet të përdoren për të shpjeguar jetëgjatësinë e fundme të gjendjeve aktuale të kryqëzimeve Josephson. Në këtë rast, ndodh tunelizimi i eff. grimcat kuantike përmes barrierës, dhe roli i termostatit luhet nga elektronet normale.

Lit.: Landau L. D., Lifshits E. M., Quantum mechanics, 4th ed., M., 1989; Ziman J., Parimet e teorisë së gjendjes së ngurtë, përkth. nga anglishtja, botimi i dytë, M., 1974; Baz A. I., Zeldovich Ya. B., Perelomov A. M., Shpërndarja, reagimet dhe zbërthimet në mekanikën kuantike jorelativiste, botimi i dytë, M., 1971; Dukuritë e tunelizimit në trupat e ngurtë, përkth. nga anglishtja, M., 1973; Likharev K.K., Hyrje në dinamikën e kryqëzimeve Josephson, Moskë, 1985. B. I. Ivlev.

Artikulli i mëparshëm: Sa është shpejtësia e dritës Artikulli vijues: Karakteristikat e elementit të karbonit dhe vetitë kimike