Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Туннельный эффект

Ключевые слова:  туннельный эффект

Автор(ы): Коллектив авторов

Опубликовал(а):  Гудилин Евгений Алексеевич

10 декабря 2017

Приглашаем к участию в XII Всероссийской олимпиаде про нанотехнологиям!

Туннельным эффектом называют преодоление частицей потенциального барьера в случае, когда её энергия (остающаяся при этом неизменной) меньше высоты барьера. Это явление имеет квантовую природу, так как подразумевает собой прохождение частицы сквозь область пространства, пребывание в которой запрещено классической механикой, например, перескок электрона через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два проводника.

В классической физике частица не может оказаться в области такого барьера и тем более пройти сквозь него, так как это нарушает закон сохранения энергии. Однако в квантовой физике ситуация принципиально другая. Квантовая частица не движется по какой-либо определенной траектории. Состояние частицы (ее координата и импульс) описывается соответствующей волновой функцией Y, физический смысл которой определяется следующим образом: вероятность нахождения частицы в элементарном объеме DV равна |Y|2DV. Чтобы вычислить вероятность нахождения частицы за потенциальным барьером, необходимо решить уравнение Шрёдингера с учетом непрерывности волновой функции на стенках барьера (рис.1). С увеличением высоты барьера, а также массы частицы, вероятность туннельного эффекта экспоненциально падает, т.е. чем больше квантовый медвежонок Винни-Пух ест, тем меньше у него шансов куда-либо туннелировать.

Для качественного понимания туннельного эффекта достаточно лишь вспомнить один из основополагающих законов квантовой физики – принцип неопределенности Гейзенберга, который гласит, что невозможно точно определить положение и импульс частицы одновременно. Таким образом, малая неопределенность координаты частицы (с точностью до толщины барьера) приводит к неопределенности ее импульса, а следовательно, и кинетической энергии. Соответственно, появляется некоторая вероятность прохождения частицы сквозь потенциальный барьер.

Туннельный эффект широко встречается в природе, а также успешно используется в современных технологиях. Например, при альфа-распаде радиоактивных ядер тяжелое ядро излучает альфа-частицу, состоящую из двух протонов и двух нейтронов. Частице при отрыве от ядра приходится преодолевать барьер внутриядерных связей. Происходит туннелирование, и мы наблюдаем спонтанное альфа-излучение. Другой важный пример туннельного эффекта – процесс термоядерного синтеза, питающий энергией звезды. Сильное кулоновское отталкивание препятствует сближению ядер дейтерия, однако под воздействием высоких температур и давлений это все же происходит, и начинает действовать туннельный эффект. В результате происходит термоядерный синтез и звезды светят.

Наконец, нельзя не упомянуть сканирующий туннельный микроскоп. Принцип его работы основан на измерении туннельного тока, который возникает между поверхностью исследуемого образца и тонкой иглой, расположенной на сверхмалом расстоянии. Когда игла находится непосредственно над атомом, сила туннельного тока возрастает. Таким образом, при помощи туннельного микроскопа удается буквально ощупывать образцы и исследовать атомную структуру поверхности.

Другими примерами реализации на практике туннельного эффекта являются сверхпроводящий медицинский томограф со сверхчувствительным датчиком магнитных полей, SQUID –магнетометр и считывающие головки приборов, использующих эффект туннельного магнетосопротивления.

Литература

Н.Б.Делоне, Туннельный эффект, Соросовский образовательный журнал, т. 6, № 1, 2000.

С.Трейман, Этот странный квантовый мир, НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Ижевск, 2002.


В статье использованы материалы: Олимпиада


Средний балл: 10.0 (голосов 1)

 



Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Инопланетный сыр
Инопланетный сыр

Стань частью первой в России магистерской программы в области LED- технологий!
Стать участником первой в России магистерской программы в области LED- технологий можно уже на первой волне вступительных испытаний 8 и 9 июля, подав документы в Приемную комиссию Университета ИТМО (г. Санкт-Петербург, Кронверкский проспект, д. 49). Документы также можно подать почтой.

20 июня в МГУ стартовала приёмная кампания
20 июня в МГУ имени М.В. Ломоносова стартовала приёмная кампания. В новому учебном 2019/2020 году в Московский университет поступят около 10 тысяч абитуриентов, откроются 4 новых направления подготовки и свыше 10 образовательных программ.

Коллекция статей в Frontiers in Chemistry, посвященная Международному Году Периодической Таблицы Элементов
Открыт прием статей в коллекцию Frontiers in Chemistry (Open Access, IF 4.155), посвященной 150 - летию Периодической Таблицы Элементов.

Новые гибридные перовскитоподобные материалы для солнечной энергетики
Тарасов Алексей Борисович, Постнаука
Как сохранить энергию солнца или ветра? Как может измениться стационарная энергетика в будущем? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) Постнаука рассказывает о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

Материалы к защитам квалификационных работ бакалавров на ФНМ МГУ в 2019 году
Коллектив авторов
4-7 июня 2019 г. (11-00) в аудитории 221 корпуса Б пройдут защиты ВКР бакалавров ФНМ МГУ.

Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2019 году
Семенова Анна Александровна
21-24 мая 2019 года в лабораторном корпусе Б пройдут защиты магистерских диссертаций выпускниками ФНМ МГУ.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.