Туннельный эффект

Об этом квантовом эффекте, наверное, слышали все. Грубо говоря, если на пути микрочастицы имеется некий потенциальный барьер, на преодоление которого энергии частицы не хватает, она с некоторой вероятностью всё же может оказаться по другую сторону барьера.

В макромире такого не бывает. Представим, к примеру, что скользящий по гладкому столу кубик налетает на горку — она-то и представляет собой потенциальный барьер (см. рис. 1). Если кинетическая энергия кубика больше высоты потенциального барьера mgh, кубик перемахнет через горку и будет двигаться дальше. Если же энергии не хватит, кубик отскочит обратно.

Рисунок 1

А вот квантовая частица в аналогичной ситуации имеет шанс туннелировать сквозь потенциальный барьер (барьер для микрочастицы — это силовое поле определенной конфигурации). Она просто оказывается по другую сторону барьера, сохранив всю свою энергию. Кстати, если энергия частицы превышает высоту барьера, она всё равно с какой-то вероятностью отражается от него (в макромире так ведут себя волны).

Это если говорить на нашем языке — языке эксперимента. А на языке квантовой механики частица и не «налетает», и не «отскакивает», и не «проходит сквозь барьер», а пребывает в состоянии квантовой суперпозиции: движение в сторону барьера, движение по другую сторону барьера и состояние отражения от барьера. Проводя же наблюдение, мы обнаружим частицу в одном из этих трех состояний и назовём их: она налетает на барьер, она прошла сквозь барьер или она отразилась от барьера. Кстати, есть шанс даже «застукать» ее под барьером, но для этого наблюдатель должен добавить частице энергию, которой ей недоставало для «легального» преодоления барьера.

Высота и ширина барьера очень сильно влияют на вероятность туннелирования. Так, при увеличении ширины барьера в 10 раз вероятность туннелирования для электрона уменьшается в 100 миллиардов раз!

Легкие частицы туннелируют гораздо чаще, чем тяжелые. Скажем, тот барьер, через который электрон просачивается с вероятностью 1/10, протон (который почти в две тысячи раз массивнее) преодолеет с вероятностью 10^-45! Понятно теперь, почему макроскопические тела не туннелируют совсем?

Туннельный эффект объясняет ряд явлений, известных еще в XIX веке, к примеру, контактную разность потенциалов, возникающую в месте соприкосновения двух металлов. Термоядерный синтез гелия из водорода в недрах Солнца возможен исключительно благодаря туннельному эффекту. А в современной науке наиболее известное его применение — это электронные туннельные микроскопы, которые могут «видеть» отдельные атомы.