химический каталог




ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ

Автор Химическая энциклопедия г.р. Н.С.Зефиров

ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ, квантовый эффект, состоящий в проникновении квантовой частицы сквозь область пространства, в которой согласно законам классич. физики нахождение частицы запрещено. Классич. частица, обладающая полной энергией E и находящаяся в потенц. поле, может пребывать лишь в тех областях пространства, в которых ее полная энергия не превышает потенц. энергию U взаимодействия с полем. Поскольку волновая функция квантовой частицы отлична от нуля во всем пространстве и вероятность нахождения частицы в определенной области пространства задается квадратом модуля волновой функции, то и в запрещенных (с точки зрения классич. механики) областях волновая функция отлична от нуля.

ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ удобно иллюстрировать на модельной задаче об одномерной частице в поле потенциала U(x) (x - координата частицы). В случае симметричного двухъямного потенциала (рис. а)волновая функция должна "умещаться" внутри ям, т. е. она представляет собой стоячую волну. Дискретные энерге-тич. уровни, которые расположены ниже барьера, разделяющего минимумы потенциала, образуют близко расположенные (почти вырожденные) пары. Разность энергетич. уровней, составляющих пару, называют туннельным расщеплени-е м, эта разность обусловлена тем, что точное решение задачи (волновая функция) для каждого из квантовых состояний дело-кализовано в обоих минимумах потенциала и все точные решения отвечают невырожденным уровням (см. Вырождение энергетических уровней). Вероятность ТУННЕЛЬНОГО ЭФФЕКТА определяется коэффициентом прохождения сквозь барьер волнового пакета, который описывает нестационарное состояние частицы, локализованной в одном из минимумов потенциала.




Кривые потенц. энергии U (х)частицы в случае, когда на нее действует сила притяжения (а - две потенц. ямы, б - одна потенц. яма), и в случае, когда на частицу действует сила отталкивания (отталкивательный потенциал, в). E -полная энергия частицы, х - координата. Тонкими линиями изображены волновые функции.

В потенц. поле с одним локальным минимумом (рис. б)для частицы с энергией E, большей потенциала взаимодействия при c =, дискретные энергетич. состояния отсутствуют, но существует набор квазистационарных состояний, в которых велика относит. вероятность нахождения частицы вблизи минимума. Волновые пакеты, отвечающие таким квазистационарным состояниям, описывают метастабильные квантовые состояния; волновые пакеты расплываются и исчезают вслед-ствии T. э. Эти состояния характеризуются временем жизни (вероятностью распада) и шириной энергетич. уровня.

Для частицы в отталкивательном потенциале (рис. в)волновой пакет, описывающий нестационарное состояние по одну сторону от потенц. барьера, даже если энергия частицы в этом состоянии меньше высоты барьера, может с определенной вероятностью (называют вероятностью проникновения или вероятностью туннелирования) проходить по др. сторону барьера.

Наиболее важные для химии проявления T. э.: 1) туннельные расщепления дискретных колебательное, вращательное и электронно-колебательных уровней. Расщепления колебательное уровней в молекулах с несколько эквивалентными равновесными ядерными конфигурациями - это инверсионное удвоение (в молекулах типа аммиака), расщепление уровней в молекулах с заторможенным внутр. вращением (этан, толуол) или в нежестких молекулах, для которых допустимы внутримол. перегруппировки, приводящие к эквивалентным равновесным конфигурациям (например, PF5). Если различные эквивалентные минимумы на поверхности потенциальной энергии оказываются разделенными потенц. барьерами (например, равновесные конфигурации для право- и левовращающих изомеров сложных молекул), то адекватное • описание реальных мол. систем достигается с помощью, локализованных волновых пакетов. В этом случае пара дело-кализованных в двух минимумах стационарных состояний неустойчива: под действием очень малых возмущений возможно образование двух состояний, локализованных в том или ином минимуме.

Расщепление квазивырожденных групп вращательное состояний (так называемой вращательных к л а с т е r о в) также обусловлено туннелированием мол. системы между окрестностями несколько эквивалентных стационарных осей вращения. Расщепление электронно-колебательное (вибронных) состояний происходит в случае сильных Яна - Теллера эффектов. С туннельным расщеплением связано и существование зон, образуемых электронными состояниями отдельных атомов или мол. фрагментов в твердых телах с периодической структурой.

2) Явления переноса частиц и элементарных возбуждений. Данная совокупность явлений включает нестационарные процессы, описывающие переходы между дискретными состояниями и распад квазистационарных состояний. Переходы между дискретными состояниями с волновыми функциями, локализованными в различные минимумах одного адиабатич. потенциала, соответствуют разнообразным химический реакциям. T. э. всегда вносит некоторый вклад в скорость реакции, однако этот вклад существен только при низких температурах, когда надбарьер-ный переход из исходного состояния в конечное маловероятен из-за низкой заселенности соответствующих уровней энергии. T. э. проявляется в неаррениусовском поведении скорости r-ции; характерный пример - рост цепи при ради-ационно-инициированной полимеризации твердого формальдегида. Скорость этого процесса при температуре около 140 К удовлетворительно описывается законом Аррениуса с энергией активации 0,1 эВ. Однако при температурах 12 К достигается скорость реакции, которая не зависит от температуры, определяется T. э. и оказывается на много порядков выше скорости, к-рую можно было бы ожидать при той же температуре в предположении справедливости надбарьерного механизма реакции (см. Криохимия).

Распад метастабильных состояний лежит в основе целого ряда явлений. К ним относятся, в частности, ос-распад (см. Радиоактивность), колебательное и вращательное предиссоциациА, автоионизация атомов в сильном электрич. поле, ионизация атомов и молекул в сильном электромагн. поле. Туннельное прохождение электронов из одного проводника (или полупроводника) в другой через слой изолятора (туннельный ток) является макроскопич. эффектом, обусловленным T. э. Это явление лежит в основе туннельной сканирующей микроскопии твердых тел.

Литература: Гольданский В.И., Трахтенб ерг Л.И., Флеров В.П., Туннельные явления в химической физике, M., 1986; Ландау Л. Д., Лиф-шиц E. M., Квантовая механика. Нерелятивистская теория, 4 изд., M., 1989.

Б.И. Жилинский.

Химическая энциклопедия. Том 5 >> К списку статей


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]    [обратная связь]

 

 

Реклама
складочная 6 стр1
домашний кинотеатр
Unical Ellprex 3500
банкетка металл кожа

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(03.12.2016)