Тунельний ефект: на межі світів
Тунельний ефект - дивовижне явище, абсолютно неможливе з позицій класичної фізики. Але в загадковому і таємничому квантовому світі діють дещо інші закони взаємодії матерії та енергії. Тунельний ефект являє собою процес подолання елементарною частинкою якогось потенційного бар`єру за тієї умови, що її енергія менше висоти перешкоди. Це явище має виключно квантову природу і повністю суперечить усім законам і догмам класичної механіки. Тим дивніше світ, в якому ми живемо.
Зрозуміти, що ж таке квантовий тунельний ефект, найкраще можна на прикладі м`яча для гольфу, запущеного з деякою силою в лунку. У будь-яку одиницю часу повна енергія м`яча знаходиться у протидії з потенційною силою гравітації. Якщо припустити, що його кінетична енергія поступається силі гравітації, то зазначений предмет не зможе самостійно покинути лунку. Але це відповідно до законів класичної фізики. Щоб подолати край ямки і продовжити свій шлях, йому обов`язково знадобиться додатковий кінетичний імпульс. Так віщав великий Ньютон.
У квантовому світі справа йде трохи інакше. А тепер припустимо, що в лунці виявилася квантова частинка. У такому випадку мова вже буде йти не про реальному фізичному поглибленні в землі, а про те, що фізики умовно називають «потенційної ямою». У такої величини є і аналог фізичного борту - енергетичний бар`єр. Тут ситуація змінюється самим кардинальним чином. Щоб відбувся так званий квантовий перехід і частинка опинилася за межами бар`єру, необхідно вже інша умова.
Якщо напруженість зовнішнього енергетичного поля менше потенційної енергії частинки, тоді у неї є реальний шанс подолати бар`єр незалежно від його висоти. Навіть якщо у неї недостатньо кінетичної енергії в розумінні ньютонівської фізики. Це і є той самий тунельний ефект. Працює він таким чином. Квантовій механіці властиво опис будь-якої частинки не за допомогою якихось фізичних величин, а за допомогою хвильової функції, пов`язаної з імовірністю розташування частинки в певній точці простору в кожну конкретну одиницю часу.
При зіткненні частинки з якимсь бар`єром за допомогою рівняння Шредінгера можна прорахувати ймовірність подолання цієї перешкоди. Так як бар`єр не тільки енергетично поглинає хвильову функцію, але і гасить її по експоненті. Інакше кажучи, в квантовому світі не існує непереборних перешкод, а є тільки додаткові умови, за яких частка може виявитися за межами цих бар`єрів. Різні перешкоди, звичайно, заважають руху частинок, але аж ніяк не є твердими непроникними кордонами. Умовно кажучи, це якесь пограниччі двох світів - фізичного і енергетичного.
Тунельний ефект має свій аналог в ядерній фізиці - автоіонізації атома в потужному електричному полі. Прикладами прояву туннелирования рясніє і фізика твердого тіла. Сюди можна віднести автоелектронну емісію, міграцію валентних електронів, а також ефекти, які виникають на контакті двох надпровідників, розділених тонкою діелектричної плівкою. Виняткову роль відіграє туннелирование в реалізації численних хімічних процесів в умовах низьких і кріогенних температур.
Квантова фізика і її взаємозв'язок з реальністю Всесвіту Багатьох цікавить квантова фізика і реальність, це такі розбурхують уми сфери науки, де багато хто намагається знайти відповіді на питання про походження самого Всесвіту. Кожна сучасна космологічна теорія також спирається на квантову механіку, за…
Потенційна енергія Як випливає із Закону збереження енергії, будь-яке тіло завжди має енергією. При наявності руху це очевидно: є швидкість або прискорення, що, помножене на масу, дає шуканий результат. Однак у випадку, коли тіло нерухомо, воно, як не парадоксально,…
Повна механічна енергія тіл і систем Величина, яка прирівнюється до половині від твору маси даного тіла на швидкість цього тіла в квадраті, називається у фізиці кінетичної енергією тіла або енергією дії. Зміна або непостійність кінетичної або рушійною енергії тіла за деякий час буде…
Напруженість електричного поля Кожен електричний заряд оточує електричне поле. В результаті тривалих досліджень вчені-фізики прийшли до висновку, що взаємодія заряджених тіл відбувається завдяки електричних полів, їх оточуючим. Вони є особливою формою матерії, яка нерозривно…
Маса електрона - малий золотник та дорогий Якщо навскидку попросити 100 чоловік назвати хоча б три відомі елементарні частинки, то, можливо, не всі назвуть всі три, але ніхто не забуде назвати чемпіона за популярністю - електрон. Маленький, найлегший серед несучих заряд частинок, всюдисущий…
Ідеальний газ Як відомо, всі речовини в природі мають своє агрегатний стан, одним з яких є газ. Складові його частинки - молекули й атоми - розташовані один від одного на великій відстані. При цьому вони знаходяться в постійному вільному русі. Ця властивість…
Дивовижний напівпровідниковий прилад - тунельний діод При вивченні механізму випрямлення змінного струму на ділянці дотику двох різних середовищ - напівпровідника і металу, була висунута гіпотеза, що в його основі лежить так званий тунельний ефект носіїв заряду. Однак на той момент (1932 рік) рівень…
Кінетична і потенційна енергія Однією з характеристик будь-якої системи є її кінетична і потенційна енергія. Якщо яка-небудь сила F надає дію на що знаходиться в спокої тіло таким чином, що останнє приходить в рух, то має місце здійснення роботи dA. У цьому випадку значення…
Закон збереження енергії - основа основ У своїй повсякденній діяльності людина використовує найрізноманітнішу енергію: теплову, механічну, ядерну, електромагнітну, і т.д. Однак поки будемо розглядати тільки одну її форму - механічну. Тим більше що з точки зору історії розвитку фізики,…
Енергія активації Хімічні реакції можуть протікати з різними швидкостями. Одні з них завершуються протягом декількох секунд, інші можуть тягнутися годинами, днями і навіть десятиліттями. Для того щоб визначити продуктивність і розмір необхідної апаратури, а також…
Енергія фотона Людині властиво намагатися пояснювати закони, відповідно до яких живе навколишній світ. На зорі Свідомості всі спостережувані природні явища приписувалися цілого сонму різних богів: дощ, грім, блискавка, вітер - всі вони зобов'язані своїм…
Механічна енергія та її види Слово "енергія" походить з грецької мови і має значення «дія", "діяльність». Саме поняття було вперше введено англійським фізиком Т. Юнгом на початку XIX століття. Під «енергією» розуміється здатність володіє цією властивістю тіла здійснювати…
Абсолютно пружний удар: теорія ідеального зіткнення Зіткнення рухомих тіл притаманне всім рівням фізичного світу - від субатомних частинок до циклопічних міжпланетних і міжгалактичних явищ. Тому ударні сили, що відрізняються величезною різноманітністю, так цікавлять фізиків. Незвичайні перетворення…