Когда объект сталкивается с барьером, интуитивно понятно, что объект остановится или отклонится назад (потому что барьер может остановить объект). Теперь, хотя именно так работает мир классической механики, эти довольно простые ситуации становятся немного шаткими, когда мы погружаемся в квантовую область.
Проще говоря, квантовое туннелирование относится к явлению, при котором электрон способен проходить через барьер и переходить на другую сторону. Однако, как говорит Ричард Фейнман, если вы думаете, что понимаете QM (Квантовую механику), вы не понимаете этого вообще. Как бы ни была проста концепция квантового туннелирования, давайте погрузимся прямо в нее, чтобы понять ее более сложные нюансы.
Основы
Понимание квантового туннелирования в более интуитивном смысле включает в себя пересмотр нескольких концепций квантовой механики. Первый из них, который мы рассмотрим, - это принцип неопределенности Гейзенберга. Принцип неопределенности Гейзенберга вступает в игру при попытке наблюдения частиц.
В нем говорится, что существует предел, до которого можно определить различные параметры частицы с определенной степенью точности. Чтобы лучше это понять, давайте возьмем два параметра - скорость и положение частицы - и скажем, что рассматриваемая нами частица является электроном. Теперь, согласно принципу неопределенности Гейзенберга, существует определенный предел, до которого и положение, и скорость электрона могут быть рассчитаны с определенной степенью точности.
Если бы мы сосредоточились на повышении точности любого из этих параметров более детально и сосредоточились, то другой параметр снизил бы уровень точности по сравнению с его измерением. Таким образом, если вы можете определить положение электрона с высокой точностью, тогда вы не сможете измерить его скорость с большой точностью. И наоборот, если вы сможете измерить скорость электрона с большой степенью точности, вы не сможете точно определить положение электрона.
Теперь еще один фундаментальный принцип, который необходимо понять, - это волнообразная природа материи. Волнообразная природа частицы является ключевым аспектом одного из элементов квантовой механики, называемого корпускулярно-волновым дуализмом. В концепции волнового дуализма каждая фундаментальная частица может быть описана как частица, так и волна.
Это было предложено Луи де Бройлем в 1924 году в его кандидатской диссертации, которая утверждала, что если свет может обладать как волновой, так и частичной природой, то электрон также может иметь такую двойственную волно - частичную природу. Именно благодаря отношениям де Бройля он предложил в своей докторской диссертации, что мы смогли установить волновую природу материи. Эта связь заключается в следующем:
Здесь лямбда представляет длину волны частицы, а ‘p’ представляет импульс частицы. Значение отношения Де Бройля состоит в том, что оно устанавливает основание для того факта, что материя может вести себя подобно волне. Эксперимент Дэвиссона-Гермера доказал, что волновая природа материи вне всякого сомнения основана на дифракции электронов через кристалл.
Позднее волновая природа материи была легко интегрирована в принцип неопределенности Гейзенберга. Принцип неопределенности гласит, что для электрона или любой другой частицы импульс и положение не могут быть точно определены одновременно. Всегда есть некоторая неопределенность либо с позицией «дельта х», либо с импульсом «дельта р». Уравнение неопределенности Гейзенберга является:
Представьте себе, что вы точно измеряете импульс частицы, так что "дельта Р" равна нулю. Чтобы удовлетворить приведенному выше уравнению, неопределенность в положении частицы "Дельта x" должна быть бесконечной. Из уравнения де Бройля мы знаем, что частица с определенным импульсом имеет определенную длину волны "лямбда".
Определенная длина волны распространяется по всему пространству до бесконечности. Согласно вероятностной интерпретации Борна, это означает, что частица не локализована в пространстве, поэтому неопределенность положения становится бесконечной. Однако в реальной жизни длины волн имеют конечную границу и не бесконечны, поэтому неопределенность положения и неопределенность импульса имеют ограниченное значение. Уравнение де Бройля и принцип неопределенности Гейзенберга с этого момента превратились в две капли воды.
Сводя все это вместе Эффект квантового туннелирования - это квантовое явление, которое возникает, когда частицы движутся через барьер, который, согласно теориям классической физики, должно быть невозможно пройти.
Барьером может быть физически непроходимая среда, например, изолятор или вакуум, или область с высоким потенциалом энергии. При столкновении с барьером квантовая волна не закончится внезапно, а, скорее, ее амплитуда сократится экспоненциально. Это падение амплитуды соответствует падению вероятности нахождения частицы дальше от барьера. Если барьер достаточно тонкий, то амплитуда может быть ненулевой с другой стороны.
Это означало бы, что существует конечная вероятность того, что некоторые из частиц будут туннелировать через барьер. Туннельный ток определяется как отношение плотности тока, выходящего из барьера, к плотности тока, падающей на барьер. Если этот коэффициент пропускания через барьер является ненулевым значением, то существует конечная вероятность того, что частица может проходить через барьер.
Его очевидная способность прыгать в промежутках иллюстрирует одно из последствий света, имеющего волнообразный характер. Например, свет, проникающий сквозь стеклянный блок под небольшим углом, эффективно задерживается внутри стекла воздушным барьером с дальней стороны, если только второй стеклянный блок не помещается рядом с ним (но не прикасается).
Из-за распространения волны часть ее проникает в воздушный барьер и, если она сталкивается с большим количеством стекла за его пределами, она может продолжить движение, таким образом, по-видимому, перепрыгивая воздушный зазор и выходя из своей тюрьмы. Подобное происходит в субатомном масштабе, когда альфа-частицы пытаются вырваться из нестабильных ядер во время радиоактивного распада.
Частицы эффективно удерживаются в ядре ядерными силами и, в принципе, не должны быть в состоянии убежать. Однако, благодаря квантовому туннелированию и принципу неопределенности, они улетают!
