Туннельный эффект

туннелирование, преодоление микрочастицей потенциального барьера (См. Потенциальный барьер) в случае, когда её полная энергия (остающаяся при Т. э. неизменной) меньше высоты барьера. Т. э. — явление существенно квантовой природы, невозможное в классической механике; аналогом Т. э. в волновой оптике может служить проникновение световой волны внутрь отражающей среды (на расстояния порядка длины световой волны) в условиях, когда, с точки зрения геометрической оптики, происходит Полное внутреннее отражение. Явление Т. э. лежит в основе многих важных процессов в атомной и молекулярной физике, в физике атомного ядра, твёрдого тела и т.д.

Т. э. объясняется в конечном счёте Неопределённостей соотношением (см. также Квантовая механика, Корпускулярно-волновой дуализм). Классическая частица не может находиться внутри потенциального барьера высоты V, если её энергия Е <> так как кинетическая энергия частицы р²/2m = Е— V становится при этом отрицательной, а её импульс р —мнимой величиной (m — масса частицы). Однако для микрочастицы этот вывод несправедлив: вследствие соотношения неопределённостей фиксация частицы в пространственной области внутри барьера делает неопределённым её импульс. Поэтому имеется отличная от нуля вероятность обнаружить микрочастицу внутри запрещенной, с точки зрения классической механики, области. Соответственно появляется определённая вероятность прохождения частицы сквозь потенциальный барьер, что и отвечает Т. э. Эта вероятность тем больше, чем меньше масса частицы, чем уже потенциальный барьер и чем меньше энергии недостаёт частице, чтобы достичь высоты барьера (то есть чем меньше разность V — E). Вероятность прохождения сквозь барьер представляет собой главный фактор, определяющий физические характеристики Т. э. В случае одномерного потенциального барьера такой характеристикой служит коэффициент прозрачности барьера, равный отношению потока прошедших сквозь него частиц к падающему на барьер потоку. В случае трёхмерного потенциального барьера, ограничивающего замкнутую область пространства с пониженной потенциальной энергией (потенциальную яму (См. Потенциальная яма)), Т. э. характеризуется вероятностью w выхода частицы из этой области в единицу времени; величина w равна произведению частоты колебаний частицы внутри потенциальной ямы на вероятность прохождения сквозь барьер. Возможность «просачивания» наружу частицы, первоначально находившейся в потенциальной яме, приводит к тому, что соответствующие уровни энергии частиц приобретают конечную ширину порядка hw(h — постоянная Планка), а сами эти состояния становятся квазистационарными.

Примером проявления Т. э. в атомной физике могут служить процессы автоионизации атома в сильном электрическом поле. В последнее время особенно большое внимание привлекает процесс ионизации атома в поле сильной электромагнитной волны. В ядерной физике Т. э. лежит в основе понимания закономерностей Альфа-распада радиоактивных ядер: в результате совместного действия короткодействующих ядерных сил притяжения и электростатических (кулоновских) сил отталкивания, α-частице при её выходе из ядра приходится преодолевать трёхмерный потенциальный барьер описанного выше типа. Без Т. э. было бы невозможно протекание термоядерных реакций (См. Термоядерные реакции): кулоновский потенциальный барьер, препятствующий необходимому для синтеза сближению ядер-реагентов, преодолевается частично благодаря высокой скорости (высокой температуре) таких ядер, а частично — благодаря Т. э. Особенно многочисленны примеры проявления Т. э. в физике твёрдого тела: автоэлектронная эмиссия электронов из металлов и полупроводников (см. Туннельная эмиссия);явления

в полупроводниках, помещенных в сильное электрическое поле (см. Туннельный диод); миграция валентных электронов в кристаллической решётке (см. Твёрдое тело); эффекты, возникающие на контакте между двумя сверхпроводниками, разделёнными тонкой плёнкой нормального металла или диэлектрика (см. Джозефсона эффект) и т.д.

Лит.: Блохинцев Д. И., Основы квантовой механики, 4 изд., М., 1963; Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Квантовая механика. Нерелятивистская теория, 3 изд., М., 1974 (Теоретическая физика, т. 3).

Д. А. Киржниц.

ТУННЕЛЬНЫЙ эффект - прохождение через потенциальный барьер микрочастицы, энергия которой меньше высоты барьера; квантовый эффект, наглядно объясняемый разбросом импульсов (и энергий) частицы в области барьера (см. Неопределенности принцип). В результате туннельного эффекта происходят альфараспад, автоэлектронная эмиссия, Джозефсона эффект и т. д. Вероятность туннельного эффекта тем больше, чем уже потенциальный барьер и чем ближе энергия частицы к высоте барьера.

ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ, прохождение через потенциальный барьер микрочастицы, энергия которой меньше высоты барьера; квантовый эффект, наглядно объясняемый разбросом импульсов (и энергий) частицы в области барьера (вследствие неопределенности принципа). В результате туннельного эффекта происходят альфа-распад, автоэлектронная эмиссия (смотри Электронная эмиссия), Джозефсона эффект и т.д. Вероятность туннельного эффекта тем больше, чем уже потенциальный барьер и чем ближе энергия частицы к высоте барьера.

tunneling effect, tunneling

Esaki effect, tunnel(ing) effect, tunneling phenomenon

ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ

(туннелирование), преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при Т. э. большей частью неизменной) меньше высоты барьера. Т. э.— явление существенно квант. природы, невозможное в классич. механике; аналогом Т. э. в волн. оптике может служить проникновение световой волны внутрь отражающей среды (на расстояния порядка длины световой волны) в условиях, когда с точки зрения геом. оптики происходит полное внутреннее отражение. Т. э. лежит в основе мн. важных процессов в ат. и мол. физике, в физике ат. ядра, тв. тела и т. д.

Т. э. интерпретируется на основе неопределённостей соотношения (см. КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА). Классич. ч-ца не может находиться внутри потенц. барьера высоты V, если её энергия?

Примером проявления Т. э. в ат. физике могут служить автоионизация атома в сильном электрич. поле и ионизация атома в поле сильной эл.-магн. волны. Т. э. лежит в основе альфа-распада радиоактивных ядер. Без Т. э. было бы невозможно протекание термоядерных реакций: кулоновский потенц. барьер, препятствующий необходимому для синтеза сближению ядер-реагентов, преодолевается частично благодаря высокой скорости (высокой темп-ре) таких ядер, а частично благодаря Т. э. Особенно многочисленны примеры проявления Т. э. в физике тв. тела: автоэлектронная эмиссия, явления в контактном слое на границе двух ПП, Джозефсона эффект и т. д.

квантовый эффект, состоящий в проникновении квантовой частицы сквозь область пространства, в к-рой согласно законам классич. физики нахождение частицы запрещено. Классич. частица, обладающая полной энергией Eи находящаяся в потенц. поле, может пребывать лишь в тех областях пространства, в к-рых ее полная энергия не превышает потенц. энергию Uвзаимодействия с полем. Поскольку волновая ф-ция квантовой частицы отлична от нуля во всем пространстве и вероятность нахождения частицы в определенной области пространства задается квадратом модуля волновой ф-ции, то и в запрещенных (с точки зрения классич. механики) областях волновая ф-ция отлична от нуля.

T. э. удобно иллюстрировать на модельной задаче об одномерной частице в поле потенциала U(x) (x- координата частицы). В случае симметричного двухъямного потенциала (рис. а)волновая ф-ция должна "умещаться" внутри ям, т. е. она представляет собой стоячую волну. Дискретные энерге-тич. уровни, к-рые расположены ниже барьера, разделяющего минимумы потенциала, образуют близко расположенные (почти вырожденные) пары. Разность энергетич. уровней, составляющих пару, наз. туннельным расщеплени-е м, эта разность обусловлена тем, что точное решение задачи (волновая ф-ция) для каждого из квантовых состояний дело-кализовано в обоих минимумах потенциала и все точные решения отвечают невырожденным уровням (см. Вырождение энергетических уровней). Вероятность T. э. определяется коэффициентом прохождения сквозь барьер волнового пакета, к-рый описывает нестационарное состояние частицы, локализованной в одном из минимумов потенциала.

Кривые потенц. энергии U (х )частицы в случае, когда на нее действует сила притяжения (а - две потенц. ямы, б - одна потенц. яма), и в случае, когда на частицу действует сила отталкивания (отталкивательный потенциал, в). E - полная энергия частицы, х - координата. Тонкими линиями изображены волновые ф-ции.