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真实存在的“穿墙术”——量子隧穿效应_量子_美观

落叶飘零 2024-12-26 23:08:59 0

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这样的描述符合我们的知识,以是常日我们都会认为这是非常精确的结论,然而量子力学却见告我们,这个结论是缺点的,由于如果把这个运动的球换成量子天下里的微不雅观粒子,那么我们就会创造,在自身能量不敷的情形下,微不雅观粒子依然有一定的概率直接穿过障碍物。

这便是我们本日要讲的,在量子天下里真实存在的“穿墙术”——量子隧穿效应(Quantum tunneling effect)。

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在过去的日子里,科学家创造量子天下中的微不雅观粒子神出鬼没,它们不但具有“不愿定性”,而且还具有“波粒二象性”(即同时具备波和粒子的双重性子),为了精确地描述微不雅观粒子,奥地利物理学家埃尔温.薛定谔(Erwin Schrodinger)提出了著名的薛定谔方程,在给定了某个微不雅观系统的边界以及初始条件的情形下,人们就可以利用薛定谔方程理解到这个微不雅观系统的性子。

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(图片来自网络侵删)

这里须要科普一个名词——“势垒”,这是一种势能比周围的势能都高的空间区域,根据经典力学,如果微不雅观粒子的能量不足的话,它就不可能通过“势垒”,以是我们可以大略地将其理解为,对付能量不足的微不雅观粒子而言,“势垒”便是一堵不可穿越的墙壁。

上图为一维薛定谔方程(我们看一下就行了),通过解这个方程可以得出一个结果,即当量子波碰着“势垒”的时候,虽然其振幅将会指数级地低落,但在“势垒”另一侧的振幅却会有一定的概率不为零,这就意味着,微不雅观粒子有一定的概率直接“穿墙而过”。

看到这里可能有人会问了,以上所述只是理论上的东西,那有没有实例证明量子隧穿效应真实存在呢?

这就要从α衰变提及了,α衰变是一种很常见的衰变,其衰变的办法实在便是某个原子核开释出了一个由2个中子和2个质子组成的α粒子,同时其原子序数也会减2。

我们都知道,在宇宙四大基本力之中,强相互浸染力排名第一,这种力就存在于原子核之内,它的浸染便是将组成原子核的质子和中子牢牢地束缚在一起,这就意味着,在原子核内存在着一种由强相互浸染力打造的“势垒”,在原子核内的微不雅观粒子必须要有足够的能量才可以从原子核跑出去。

然而实际情形却是,α衰变所产生的α粒子根本就没有足够的能量,那它又是怎么从原子核里跑出来的呢?实在对付这个问题,当时的科学家们纠结了很长一段韶光,直到1928年,美国物理学家乔治.伽莫夫(George Gamow)才利用量子隧穿效应完美地阐明了这个征象,并在此根本上推导出了描述α衰变的干系方程式。

把稳,量子隧穿效应并非只存在于α衰变中,其实在1927年,德国物理学家弗里德里希.洪德(Friedrich Hund)在打算“双阱”电势的基态能量时就把稳到了量子隧穿征象,而在同一年,美国物理学家沃尔夫冈.诺得汉(Wolfgang Nordheim)在不雅观察电子从各种表面的反射情形时,又创造了另一种量子隧穿征象——“场电子发射”。

时至今日,人们早已对各式各样的量子隧穿征象习以为常,乃至在一些领域里,这种在量子天下里真实存在的“穿墙术”还得到了实际运用,个中最范例的例子,便是我们所利用的用于不雅观察和定位原子的扫描隧道显微镜(STM)。

这种显微镜的事理便是利用原子级的导电探针来扫描材料的表面,当材料原子和针头之间间隔足够近时,就会产生量子隧穿效应,进而形成隧道电流,而随着针头位置的改变,这种隧道电流就会涌现差异,将这些数据网络起来再加以剖析,我们就可以建立起一个非常详细的表面图片了。

好了,本日我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见`

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