Туннельный эффект

Туннельный эффект, туннелирование, преодоление микрочастицей потенциального барьера 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 < V, 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), 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, a-частице при её выходе из ядра приходится преодолевать трёхмерный потенциальный барьер описанного выше типа. Без Т. э. было бы невозможно протекание термоядерных реакций: 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.