آیا با تونل زنی کوانتومی میشود از دیوار عبور کرد؟

مدیران انجمن: parse, javad123javad

ارسال پست
نمایه کاربر
رهام1380

نام: رهام حسامی

محل اقامت: تهران

عضویت : پنج‌شنبه ۱۳۹۹/۶/۲۰ - ۰۹:۴۸


پست: 103

سپاس: 15

جنسیت:

تماس:

آیا با تونل زنی کوانتومی میشود از دیوار عبور کرد؟

پست توسط رهام1380 »

به طور ساده یک‌ذره که پشت یک تپه گیر کرده انرژی و امکان لازم برای عبور از مانع مزبور ندارد. مطابق شکل اگر این سنگ بخواهد به سمت دیگر تپه برود، لاجرم باید شخصی آن را به بالای قله برده و ازآنجا به پایین هل دهد، اما مکانیک کوانتوم راه را کوتاه کرده و می‌گوید: سنگ می‌تواند با زدن تونل از دل کوه عبور کند.در الکترونیک چیزی به نام دیود داریم تونل زنی که یک ابزار کاملا مکانیک کوانتومی است. به طور معمول، ممکن است الکتریسته برای عبور از دیود تونلی انرژی کافی نداشته باشد، ولی تابع موج این الکترونهـا می توانند از موانع دیودی عبور کرده و لذا از این احتمال که الکتریسیته با تونل زنی در مانع در طرف دیگر آن ظاهر می شود نمی توان چشم پوشی کرد.چیزی که سد پتانسیل نامیده میشه ساده از نظر فیزیک کلاسیک، در حالتی که انرژی ذره کمتر از انرژی سد پتانسیل باشد، انتظار بازتاب کامل داریم. به عبارت دیگر در نقطه
x=0، یعنی هنگامی که ذرات به سد پتانسیل می‌رسند، متوقف شده و به سمت عقب باز می‌گردند (بازتاب می‌شوند).تو نظر کوانتومی متفاوت با دیدگاه حالت کلاسیکی است. از آنجایی که تابع موج به دست آمده از حل معادله شرودینگر در ناحیه سد و بعد از آن صفر نیست، مکانیک کوانتومی بیان می‌کند که احتمال حضور ذره در ناحیه سد و بعد از سد وجود دارد. به عبارت دیگر، برای ذرات با انرژی
E<V0 این احتمال وجود دارد که از سد عبور کنند. این پدیده به اثر تونل زنی موسوم است

از دیدگاه فیزیک کلاسیک، ذرات نمی‌توانند در ناحیه‌ای که انرژی جنبشی آن منفی است، حضور داشته باشند.
خوب طبق اصل عدم قطعیت­ هایزنبرگ، نمی‌توان مکان و اندازه حرکت یک‌ذره را باهم اندازه‌گیری کرد و ما هیچ‌گاه نمی‌توانیم مکان یک‌ذره را با اطمینان کامل مشخص کنیم، بلکه همیشه این مقدار با عدم قطعیتی همراه خواهد بود. پس همواره برای حضور ذره در هرجایی احتمالی وجود دارد یعنی برای حضور ذره در آن سمت تپه هم احتمال معینی وجود دارد و ممکن است ذره بتواند به‌طور موقت انرژی گرفته و ناگهان از مانع یا سد مقابل خود عبور کند و آن‌سوی آن برود.
بر اساس معادله شرودینگر هر چه ارتفاع و عرض این مانع کمتر باشد احتمال عبور ذره مزبور از میان آن بیشتر خواهد بودتصویر
اما احتمال آن غیر صفر ، بسیار ناچیز ، اما غیر صفر است.
بیایید این را در تونل کوانتومی اعمال کنیم.
بیایید از یک مانع استاندارد استفاده کنیم. وقتی الکترونی را که انرژی کمتری دارد به مانعی شوت کنیم فیزیک کلاسیک می گوید که راهی برای رسیدن به طرف دیگر وجود ندارد. مکانیک کوانتوم به شما احتمال می دهد.
یک احتمال عدد دلخواهی را فرض کنیم: 0.45. بنابراین وقتی یک الکترون به سدی وارد می شود ، تقریباً 0.45 احتمال دارد که از آن عبور کند و 0.55 نیز بازتاب می یابد.
بنابراین بیایید احتمال مکانیکی کوانتومی خود را برای تونل زدن از طریق مانع آزمایش خود که 0.45 است استفاده کنیم. بنابراین طبق مکانیک کوانتوم ، اگر میکروسکوپ تونل زنی را روشن کنیم ، 45٪ احتمال دارد که خواندن را در سنسور شمارنده که الکترونها از طریق مانع عبور کرده ، مشاهده کنیم
من پتانسیل را 20 بار روشن می کنم ، بنابراین باید انتظار داشته باشم که الکترونهایی بدست آورم که از طریق مانع یا دیواره 0.45 * 20 = 9 الکترون "عبور" می کنند. ایا درست هست
جواب اشتباه! هست من هر بار یک بار در مولتی متر قرائت می کنم. بله ، هر 20 بار چیزی در مولتی متر وجود دارد اگر میکروسکوپ تونلینگ روبشی را انتخاب کنیم میکروسکوپ پروب روبشی بر اساس روبش سطح رسانا به وسیله نوک بسیار باریک (در حد چند نانومتر) و تغییر در میزان جریان عبوری بر حسب فاصله کار می‌کند. با این میکروسکوپ می‌توان نحوه آرایش اتم‌ها در سطح شبکه را به تصویر کشید ، همان چیزی را دریافت خواهید کرد که قبول کنید. آیا مکانیک کوانتوم اشتباه است؟ خیر. طبق مولتی متر ، جریان باید 1 میلی آمپر باشد (این همان چیزی است که من به میکروسکوپ فرستادیم) ، اما ما 0.45 میلی آمپر دریافت کردم. اگر فکر می کنید
مکانیک کوانتوم به جای رویداد احتمالی که چگونگی "احتمال" عبور الکترونها از سد را نشان می دهد ، یک جریان احتمال به ما می دهد.
حال ما به جای الکترون باشیم . هنگامی که به سمت دیوار می رویم و به دیوار برخورد می کنیم دقیقاً مانند الکترون احتمال انعکاس و احتمال تونل شدن دقیقاً مانند الکترون خواهید داشت.
هر فردی میدونه تقریباً صفر است. اما یک دیدگاه مبتنی بر رویدادها منجر به این معما می شود که تونل سازی باید سرانجام پس از چندین بار تلاش صورت گیرد. دیدگاه مبتنی بر «جریان» چیز متفاوتی را به ما می گوید. 10 ^ 38 اتم در بدن شما وجود دارد. فرض کنید احتمال تونل زنی در حدود 30 ^ -38 باشد. کوچک ، بسیار کوچک است (فقط اعداد دلخواه در واقع محاسبه نمی شوند!) اما باید جریانی وجود داشته باشد که تونل شود. این بدان معناست که وقتی به سمت یک دیوار می روید ، منعکس می شوید ، اما فقط 3 اتم (10 ^ 38 * 30 ^ -38 = 3) در تونل بدن خود عبور می کنید سه اتم کوچک از موهای روی پوست شما فقط "از طریق دیوار عبور کرده اند" ، در حالی که بقیه برگشتید. حالا شما نمی دانید که اکنون سه اتم کوچک در بدن شما از دست رفته است
می توانید یک تریلیون نفر را وارد دیوارها کنید ، تریلیون بار در هر ثانیه از ابتدای جهان - و احتمال اینکه یکی از آنها از دیوار عبور کند هنوز خیلی کم است و صفر است.
راهی برای محاسبه این عدد وجود ندارد ، فقط خیلی کم است.
اجسام بزرگ به همین دلیل مانند اجسام کوانتوم رفتار نمی کنند - احتمال انجام کار کوانتومی در آنها بسیار اندک است و صفر است. .
. اساساً اگر ذره ای در سطح مکانیک کوانتوم دارید که اندازه گیری نشده است ، امكان دارد كه تابع موج احتمال به طرف دیگر یك مانع به ظاهر صعب العبور گسترش یابد. وقتی می خواهید موقعیت الکترون را اندازه بگیرید می توانید آن را در دو طرف مانع پیدا کنید ، اما در واقع هیچگاه در درون مانع قرار نمی گیرد ، مگر اینکه در مورد انرژی الکترون اطمینان کافی نداشته باشیم
دو مشکل وجود دارد. اولین تونل کوانتومی یک ویژگی میکروسکوپی از سیستم های تحت کنترل مکانیک کوانتوم است. اکنون آزمایش های جالبی انجام شده است که نشان می دهد مکانیک کوانتوم می تواند تحت شرایط بسیار کنترل شده به دنیای ماکروسکوپی گسترش یابد.
در اینجا مشکل بعدی است. موقعیت جسم مورد نظر باید در سطح کوانتومی به اندازه کافی ناشناخته باشد تا عملکرد موج از طریق سد گسترش یابد. در سطح کوانتومی حداقل عدم قطعیت توسط اصل عدم قطعیت هایزنبرگ آورده شده است. بنابراین حتی اگر یک الکترون را با دقت مشاهده کنید ، مواردی وجود دارد که همیشه عدم اطمینان کافی برای اجازه دادن به تونل سازی کوانتومی وجود دارد. با این حال ، برای یک جسم ماکروسکوپی مانند یک توپ ، عدم اطمینان نسبی می تواند بسیار نزدیک به صفر باشد ، امکان دیدن اثرات کوانتومی مانند تونل زدن وجود ندارد. هر بار که آن توپ را برمی دارید و آن را پرتاب می کنید ، در مرحله پرتاب آن ، موقعیت و حرکت توپ را اندازه می گیرید. هیچ یک از آنها دقیقاً با عمل اندازه گیری نشده است ، اما به اندازه کافی دقیق اندازه گیری شده است ، بنابراین می توانید کاملاً مطمئن شوید که توپ در کدام طرف دیوار قرار دارد.
اکنون ، یک شی ماکروسکوپی را مانند یک شخص بردارید ، و از واحدهای مقیاس ماکروسکوپی کیلوگرم متر استفاده کنید. به راحتی متوجه خواهید شد که طول موج de Broglie به مراتب کوچکتر از اندازه هسته اتمی و کوچکتر از هر جسم فیزیکی است. وزن یک الکترون 10−30 کیلوگرم و وزن من نیز 100 کیلوگرم است. بنابراین ، طول موج de Broglie من حدود 28 مرتبه از اندازه کوچکتر از یک پیوند شیمیایی است! آن 1000000000000000000000000000 بار کوچکتر! این مانند مقایسه قد من (2 متر) با شعاع جهان است.
آنقدر کوچک که ممکن است به همان اندازه صفر باشد. به این ترتیب فقط در حوزه "مکانیک کوانتوم" .امکان دارد

روش دیگر برای درک این موضوع استفاده از اصل عدم اطمینان هایزنبرگ است ،
⟨x2⟩⟨p2⟩≥ℏ2 / 4
بنابراین ، هرچه ذره را محکم تر (محدود) می کنم ، متوسط ​​انرژی جنبشی بیشتری باید داشته باشد تا حداقل عدم قطعیت را برآورده کند. این یک تخمین از انرژی نقطه صفر سیستم است. باز هم ، برای سیستم های ماکروسکوپی ، این انرژی با نقطه صفر بسیار ناچیز است - حتی کوچکتر از یک فرار برای انجام فشارهای شدید.
برای چیست؟ چرا که اتم های داخل آن فضای خالی هستند چرا دست من نمی تواند از یک دیوار عبور کند؟ چه چیزی مقاومت را ایجاد می کند؟
اتم ها هسته ای هستند که توسط ابر الکترونی احاطه شده اند. وقتی دست خود را به دیواره فشار می دهید ، ابرهای الکترون اتم های خود را مجبور می کنید تا با اتم های دیوار همپوشانی داشته باشند.

الکترون ها این کار را نمی کنند آنها از اصل حذف Pauli ، یک روش مکانیکی کوانتومی برای گفتن اینکه هر دو مورد نمی توانند همزمان در یک مکان باشند ، را رعایت می کنند. به عبارت دقیق تر ، نیاز است که همه الکترون ها در حالت های مختلف باشند و روش های مختلفی برای دستیابی به آن وجود دارد ، از جمله فاصله. همین اصل در مورد تمام نیمی از ذرات چرخش عدد صحیح (فرمیون ها) اعمال می شود در حالی که دقیقاً عکس این مسئله در مورد ذرات چرخش عدد صحیح (بوزون ها) وجود دارد - آنها دوست دارند در یک حالت باشند ، همین امر باعث کار لیزر می شود.
بنابراین همانطور که دست خود را به دیوار فشار می دهید ، باعث می شوید که الکترونهای اتمهای شما نزدیکتر و نزدیکتر به همان حالت الکترونهای دیواره باشند و این باعث دافعه می شود.
بسیاری از مردم فکر می کنند که این دافعه الکترواستاتیک است زیرا همه الکترون ها بار یکسانی دارند. که اگرچه دافعه وجود دارد ، اما اصل محرومیت اثر بزرگتری دارد.تصویر

ارسال پست