Туннельный эффект и его применение

Туннельный эффект (туннелирование) – прохождение частицы (или системы) сквозь область пространства, пребывание в которой запрещено классической механикой. Наиболее известный пример такого процесса – прохождение частицы сквозь потенциальный барьер, когда её энергия меньше высоты барьера.

Туннельный эффект, туннелирование — преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера. Туннельный эффект — явление исключительно квантовой природы, невозможное в классической механике и даже полностью противоречащее ей. Аналогом туннельного эффекта в волновой оптике может служить проникновение световой волны внутрь отражающей среды (на расстояния порядка длины световой волны) в условиях, когда, с точки зрения геометрической оптики, происходит полное внутреннее отражение. Явление туннелирования лежит в основе многих важных процессов в атомной и молекулярной физике, в физике атомного ядра, твёрдого тела и т. д.

Актуальность темы реферата заключается в том, что новое явление, называемое туннелированием, позволило объяснить многие экспериментально наблюдавшиеся процессы. Найденное решение позволило понять большой круг явлений и было применено для описания процессов, происходящих при вылете частицы из ядра, - основы атомной науки и техники.

Цель работы – более полное изучение туннельного эффекта и его применения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить несколько задач: рассмотреть общие сведения о туннельном эффекте, историю его открытия, теорию туннельного эффекта, туннелирование электронов в твёрдых телах, туннельный диод, физические явления, обусловленные туннельным эффектом, а также применение туннельного эффекта и другие моменты.

Структура реферата включает в себя несколько частей: введение, основную часть (две главы), заключение и библиографический список.

1.1 История

Открытию туннельного эффекта предшествовало открытие А. Беккерелем в 1896 году радиоактивного распада, изучение которого продолжили супруги Мария и Пьер Кюри, в 1903 году получившие за свои исследования Нобелевскую премию. На основе их исследований в следующее десятилетие была сформулирована теория радиоактивного полураспада, вскоре подтверждённая экспериментально.

В то же время, в 1901 году, молодой учёный Роберт Френсис Эрхарт (Robert Francis Earhart), исследовавший с помощью интерферометра поведение газов между электродами в различных режимах, неожиданно получил необъяснимые данные. Ознакомившись с результатами экспериментов, известный учёный Д. Томсон предположил, что здесь действует ещё не описанный закон и призвал учёных к дальнейшим исследованиям.

...

1.2 Теория туннельного эффекта

Туннельный эффект является принципиально квантово-механическим эффектом, не имеющим аналога в классической механике. В этом основной интерес туннельного эффекта для физики и физиков. В рамках классической механики априорно ясно, что любое материальное тело, имеющее энергию E, не может преодолеть потенциальный барьер высотой V0 , если V0 > E (Рисунок 1, а). При падении тела на такой барьер оно может лишь отразиться от него. Это утверждение находится в полном согласии с законом сохранения энергии.

...

2.1 Туннелирование электронов в твёрдых телах

В 1922 г. было открыто явление холодной электронной эмиссии из металлов под действием сильного внешнего электрического поля. Оно сразу поставило физиков в тупик. График потенциальной энергии электрона в этом случае изображен на (Рисунок 2.1) Слева, при отрицательных значениях координаты х — область металла, в котором электроны могут двигаться почти свободно. Здесь потенциальную энергию можно считать постоянной. На границе металла возникает Потенциальная стенка, не позволяющая электрону покинуть металл; он может это сделать, лишь приобретя добавочную энергию, равную работе выхода Авых. При низкой температуре такую энергию может получить только ничтожная доля электронов.

...

2.3 Физические явления, обусловленные туннельным эффектом

α-Распад атомных ядер

Явление радиоактивности было обнаружено А. Беккерелем в самом конце XIX веке. Он установил, что атомные ядра спонтанно (самопроизвольно) испускают α-, β- и γ-лучи, характеризуемые различной проникающей способностью. Вскоре после этого Э. Резерфорд и М. Кюри установили, что это α-частицы (ядра гелия), электроны и γ-лучи. В начале XX века был накоплен значительный экспериментальный материал о свойствах радиоактивности ядер.

...

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проделанной работы выполнены все задачи для достижения поставленной цели: рассмотрены общие сведения о туннельном эффекте, история его открытия, теория туннельного эффекта, туннелирование электронов в твёрдых телах, туннельный диод, физические явления, обусловленные туннельным эффектом, а также применение туннельного эффекта и другие моменты.

...