Полная версия


Туннельный эффект

Туннельный эффект – допускаемый квантовой механикой процесс преодоления элементарной частицей потенциального барьера, при котором частица, не обладающая достаточной энергией всё-таки способна его преодолеть.

«Может ли мяч пролететь сквозь стенку, да так чтобы стенка осталась стоять на месте не разрушенной, и энергия мяча при этом не изменилась? Конечно, нет, напрашивается ответ, в жизни такого не бывает. Для того, чтобы пролететь сквозь стену, мяч должен иметь достаточный запас энергии и проломить её. Точно так же, если нужно, чтобы мяч, находящийся в ложбинке, перекатился через горку, необходимо сообщить ему запас энергии, достаточный для преодоления потенциального барьера – разности потенциальных энергий мяча на вершине и мяча в ложбинке. Тела, движение которых описывается законами классической механики, преодолевают потенциальный барьер только тогда, когда они обладают полной энергией, большей, чем величина максимальной потенциальной энергии.

А как дело обстоит в микромире? Микрочастицы подчиняются законам квантовой механики. Они не двигаются по определённым траекториям, а «размазаны» в пространстве подобно волне. Эти волновые свойства микрочастиц приводят к неожиданным явлениям, и среди них едва ли не самое удивительное – туннельный эффект.

Оказывается, что в микромире «стенка» может остаться на месте, а электрон, как ни в чём не бывало, пролетает сквозь неё. Микрочастицы преодолевают потенциальный барьер, даже если их энергия меньше, чем его высота.

Потенциальный барьер в микромире часто создают электрические силы, и впервые с этим явлением столкнулись при облучении атомных ядер заряженными частицами. Положительно заряженной частице, например, протону, невыгодно приближаться к ядру, так как по закону Кулона, между протоном и ядром действуют силы отталкивания. Поэтому для того, чтобы приблизить протон к ядру, надо совершить работу; график потенциальной энергии имеет вид, показанный на рисунке. Правда достаточно протону вплотную подойти к ядру на расстояние (приблизительно равное 10 в минус 12 сантиметра), как тут же вступают в действие ядерные силы притяжения, и он захватывается ядром. Но ведь надо сначала подойти, преодолеть потенциальный барьер.

И вот оказалось, что протон это делать умеет, даже когда его энергия Е меньше высоты потенциального барьера U. Но имеется определённая вероятность такого туннельного прохождения потенциального барьера. Эта вероятность тем больше, чем меньше разность энергии U – E и чем меньше масса частицы m (причём зависимость вероятности от величины U – E и m очень резкая – экспоненциальная). Основываясь на идее туннелирования, Д. Кокрофт и Э. Уолтон в 1932 году в Кавендишской лаборатории открыли искусственное расщепление ядер. Они построили первый ускоритель, и хотя энергия ускоренных протонов была недостаточна для преодоления потенциального барьера, всё же протоны благодаря туннельному эффекту проникали в ядро и вызывали ядерную реакцию. Туннельный эффект также объяснил явление альфа-распада». Цитата статьи «Туннельный эффект» из «Энциклопедического словаря юного физика» Москва издательство «Педагогика» 1984 год.

Если у вас после прочтения этого текста не возникло вопросов, то очевидно, что Вы читали не внимательно. А вопросы, вот какие.

Как всё-таки протон превращается в волну и почему он это делает? Значение вероятности туннельного эффекта приблизительно равно 10 в минус 42-46 степени, то есть лишь в одном случае из триллионов триллионов раз такое явление может происходить. Но альфа-распад происходит очень часто, какие же причины существуют для повышения вероятности такого процесса? Ответ, даваемый общей теорией взаимодействий, состоит в следующем. Туннельного эффекта не существует. Распад атомов тяжёлых элементов имеет другие причины, а объяснения, даваемые квантовой механикой, являются чистым, хотя и не лишённым изящества вымыслом.

Объяснение туннельного эффекта, даваемое общей теорией взаимодействий, приведено на странице альфа-распад.

Здесь отметим, что туннельного эффекта в том виде, как он описывается современной квантовой теорией нет.

При приближении протона к ядру происходят изменения в строении электрического поля вокруг ядра, и эти изменения делают возможным и преодоление потенциального барьера и альфа-распад.


призыв обсудить на форуме
Работает на: Amiro CMS