Туннелирование

Исследуемое явление Волновая теория Корпускулярная теория

Дифракция + –

Отражение + +

Преломление + +

Интерференция + –

Фотоэффект – +

Такое сравнение помогает понять суть квантования орбит. Известно, что натянутые струны рояля как простейшие резонаторы могут колебаться только с определенной частотой. Поэтому, говоря об электронных орбитах, следует иметь в виду различные частоты колебаний. Меняя частоту, электрон излучает световую волну, частота которой тем выше, чем больше разница частот электрона, между которыми произошел переход. Приведем еще одну аналогию, которая поможет облегчить понимание волновой природы электрона. Вообразите серию волн, набегающих на пологий берег. Они имеют вполне определенную скорость, и ее можно вычислить, зная время и расстояние между двумя соседними гребнями. Волна, однако, не особенно локализована, она занимает большое пространство. Электрон, скорость которого известна (в отличие от положения, которое мы смутно представляем), можно представить в виде такой волны. Длина волны де Бройля обратно пропорциональна импульсу частицы. Фактически это означает, что д ля больших тяжелых частиц длина волны очень мала, и волновые свойства таких частиц заметить практически невозможно.

Рис.176 Электроннограмы двух металлов

С уменьшением размера частиц какого-либо вещества его физические и химические свойства могут существенно меняться. Это происходит из-за того, что ход физических процессов зависит не только от свойств самого вещества, но и от геометрии той области пространства, в которой они протекают – грубо говоря, от “размеров” этой области. Для наглядной иллюстрации этой идеи приведем следующую аналогию: представим, что в узком переулке нужно развернуться какому-то транспортному средству. Очевидно, что мотоциклисту это будет сделать легче, чем водителю тяжелого КАМАЗа. Размерные эффекты в твердых телах – это явление, наблюдающееся в условиях, когда геометрические размеры объекта сравнимы с той или иной из длин, определяющих протекание физических процессов (например, длиной свободного пробега

носителя заряда, длиной волны де Бройля и т.д.). В зависимости от размеров исследуемого образца различают классические и квантовые размерные эффекты, которые могут влиять практически на любые свойства вещества. Понятно, что для нанометровых объектов, где размеры частиц сравнимы с де Бройлевской длиной волны электрона, характерны именно квантовые размерные эффекты, определяющие такие свойства вещества, как теплоемкость, электропроводность некоторые оптические свойства и т.п.

Самым ярким представителем квантовых размерных эффектов является туннельный эффект — явление, играющее важную роль в нанотехнологии. Сущность туннельного эффекта заключается в преодолении микрочастицей потенциального барьера в случае, когда ее полная энергия меньше высоты барьера. Это явление чисто квантовое, ведь классическая частица не может находиться внутри потенциального барьера высоты V, если ее энергия E<V, так как кинетическая энергия частицы становится при этом отрицательной, а ее импульс — мнимой величиной. Однако для микрочастицы этот вывод не справедлив: вследствие соотношения неопределенностей фиксация частицы внутри барьера делает неопределенным ее импульс. Соответственно, появляется вероятность прохождения частицы сквозь потенциальный барьер. Феномен туннелирования открыл в 1928 году наш соотечественник Г. А. Гамов, впервые получив решения уравнения Шредингера, описывающие возможность преодоления частицей энергетического барьера, даже если ее энергия меньше высоты барьера. Схематически эффект туннелирования представлен на рисунке 177. Будь электрон классической частицей, обладающей энергией Е, он встретив на пути преграду, требующую для преодоления большей энергии U, должен был бы отразиться от этой преграды. Однако как волна он хотя и с потерей энергии, но проходит эту преграду. Причем вероятность этого просачивания через барьер тем выше, чем геометрически тоньше барьер и меньше разница между энергией падающего электрона и высотой барьера.

Рис.177 Условная схема туннельного перехода

.

Найденное решение объясняло многие экспериментально наблюдавшиеся процессы и позволило понять большой круг явлений, происходящих при вылете частицы из ядра– основы атомной науки и техники. Многие считают, что за грандиозность результатов его работ, ставших основополагающими для многих наук, Г. А. Гамов должен был быть удостоен нескольких Нобелевских премий.

И лишь спустя тридцать лет после открытия Гамова появились первые приборы на основе туннельного эффекта: туннельные диоды, транзисторы, датчики, термометры для измерения сверхнизких температур, и, наконец, сканирующие туннельные микроскопы, положившие начало современной нанотехнологии.

Выводы: Классические законы физики и химии остаются справедливыми для систем со структурными размерами до 10нм, а при меньших размерах возникают новые закономерности. Дальнейшее уменьшение масштабов структур и явлений требует учета квантово-механических эффектов и связанных с ними особенностей.

Дата добавления: 2015-05-06