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.