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

 

Тетраподы ZnO
Тетраподы ZnO

На XXI Менделеевском съезде награждены выдающиеся ученые-химики
11 сентября 2019 года в Санкт-Петербурге на XXI Менделеевском съезде по общей и прикладной химии объявлены победители премии выдающимся российским ученым в области химии. Премия учреждена Российским химическим обществом им. Д.И.Менделеева совместно с компанией Elsevier с целью продвижения и популяризации науки, поощрения выдающихся ученых в области химии и наук о материалах.

Россия подала в ЮНЕСКО заявку на учреждение премии имени Менделеева для молодых ученых
Россия подала в ЮНЕСКО заявку на учреждение премии имени Менделеева для молодых ученых. Об этом премьер-министр РФ Дмитрий Медведев сообщил, открывая встречу с нобелевскими лауреатами, руководителями химических обществ, представителями международных и российских научных организаций.

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Синтез “перламутровых” нанокомпозитов с помощью бактерий. Оптомагнитный нейрон.Устойчивость азотных нанотрубок. Электронные характеристики допированных фуллереновых димеров.

Люди, создающие новые материалы: от поколения X до поколения Z
Е.В.Сидорова
Самые диковинные экспонаты научной выставки, организованной в Москве в честь Международного года Периодической таблицы химических элементов в феврале 2019 г., можно было рассмотреть только "вооруженным глазом»: Таблица Д.И.Менделеева размером 5.0 × 8.7 мкм и нанопортрет первооткрывателя периодического закона великолепно демонстрировали возможности динамической АСМ-литографии на сканирующем зондовом микроскопе. Миниатюрные произведения представили юные участники творческих конкурсов XII Всероссийкой олимпиады по нанотехнологиям, когда-то задуманной академиком Ю.Д.Третьяковым — основателем факультета наук о материалах (ФНМ) Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова. О том, как подобное взаимодействие со школьниками и студентами помогает сохранить своеобразие факультета и почему невозможно воплощать идею междисциплинарного естественнонаучного образования, относясь к обучению как к конвейеру, редактору журнала «Природа» рассказал заместитель декана ФНМ член-корреспондент РАН Е.А.Гудилин.

Как наночастицы применяются в медицине?
А. Звягин
В чем преимущества наночастиц? Как они помогают ученым в борьбе с раком? Биоинженер Андрей Звягин о наночастицах в химиотерапии, имиджинговых системах и борьбе с раком кожи.

Медицинская керамика: какими будут имплантаты будущего?
В.С. Комлев, Д. Распутина
Почему керамические изделия применяются в хирургии? Какие технологии используются для создания имплантатов? Материаловед Владимир Комлев о том, почему керамика используется в медицине, как на ее основе создаются имплантаты и какие перспективы у биоинженерии

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.