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 классич.
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 геометрич. оптики, происходит
полное внутреннее отражение. Явление Т. э. лежит в основе мн. важных
процессов в атомной и молекулярной физике, в физике атомного ядра, твёрдого
тела и т. д.
Т. э. объясняется в конечном счете
неопределённостей соотношением (см. также Квантовая механика,
Корпуску-лярно-волновой дуализм). Классич. частица не может находиться
внутри потенциального барьера высоты V, если её энергия Е < V, т.
к. кинетич. энергия частицы р2/2т = Е - V становится
при этом отрицательной, а её импульс р - мнимой величиной (т
- 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 запрещённой,
с точки зрения классич. 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
(т. е. чем меньше разность V - Е). Вероятность прохождения сквозь
барьер представляет собой главный фактор, определяющий физ. характеристики
Т. э. В случае одномерного потенциального барьера такой характеристикой
служит коэфф. 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 электрич. 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 а-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 темп-ре) 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, помещённых
в сильное электрич. поле (см. Туннельный диод); миграция валентных
электронов в кристаллич. решётке (см. Твёрдое тело); эффекты, возникающие
на контакте между двумя сверхпроводниками, разделёнными тонкой плёнкой
нормального металла или диэлектрика (см. Джозефсона эффект) и т.
д.
Лит.: Блохинцев Д. И., Основы
квантовой механики, 4 изд., М., 1963; Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Квантовая
механика. Нерелятивистская теория, 3 изд., М., 1974
(Теоретическая физика, т. 3).
Д. А. Киржниц.
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я