النفق الكمومي واختراق الحاجز
النفق الكمومي هو قدرة جسيم على المرور عبر حاجز جهد لا تستطيع الميكانيكا الكلاسيكية التغلب عليه؛ حيث تتلاشى الدالة الموجية ولكنها لا تختفي داخل الحاجز، مما يترك احتمالًا صغيرًا لظهورها على الجانب الآخر.
Definition
النفق الكمومي هو اختراق جسيم كمومي لحاجز طاقة كامنة أعلى من طاقته الكلية، وهي ظاهرة لا يوجد لها نظير كلاسيكي تنشأ لأن الدالة الموجية تتلاشى أسيًا بدلاً من أن تنتهي داخل الحاجز.
Scope
يغطي الموضوع التشتت من الحواجز المستطيلة والاعتباطية أحادية البعد، ومعاملات النفاذية والانعكاس، والاعتماد الأسي لاحتمالية النفق على عرض الحاجز وارتفاعه، والتلاشي الزائل للدالة الموجية في المنطقة المحظورة، والنفق الرنيني عبر الحواجز المزدوجة، وتقدير WKB لمعدلات النفق للحواجز الملساء.
Core questions
- كيف يمكن لجسيم أن يعبر حاجزًا أعلى من طاقته؟
- ما الذي يحدد احتمالية حدوث النفق؟
- كيف تعتمد معدل النفق على عرض الحاجز وارتفاعه؟
- متى يصبح النفق رنينيًا ويقترب من اليقين؟
Key concepts
- حاجز الجهد
- معامل النفاذية
- موجة زائلة
- تثبيط أسي
- نفق رنيني
- تقريب WKB
Key theories
- النفاذية عبر حاجز
- مطابقة الدوال الموجية المتذبذبة خارج الحاجز مع الحل المتلاشي أسيًا داخله تعطي معامل نفاذية صغيرًا ولكنه غير صفري، يتناقص أسيًا مع حاصل ضرب عرض الحاجز ومعدل التلاشي الذي يحدده ارتفاعه.
- تقدير WKB للنفق
- بالنسبة لحاجز أملس ومتغير ببطء، يتم تقريب احتمالية النفق بأس ضعف سالب تكامل معدل التلاشي المحلي عبر المنطقة المحظورة، وهي الصيغة التي استخدمها غامو لشرح النطاق الهائل لأعمار اضمحلال النوى.
Clinical relevance
النفق هو المبدأ التشغيلي وراء التقنيات والعمليات الطبيعية الرئيسية: مجهر المسح النفقي يصور الذرات عن طريق قياس تيار نفقي، وتستغل الثنائيات النفقية والرنينية النفقية هذه الظاهرة للإلكترونيات السريعة، وتعتمد ذاكرة الفلاش عليها، كما أنها تحكم اضمحلال ألفا النووي والاندماج في النجوم.
History
تم التعرف على النفق بعد وقت قصير من معادلة شرودنغر؛ حيث وجده هوند في النماذج الجزيئية واستخدمه غامو في عام 1928 لشرح اضمحلال ألفا، بينما حوله بينيغ ورورر إلى مجهر المسح النفقي في عام 1981، وحصلا على جائزة نوبل.
Key figures
- George Gamow
- Friedrich Hund
- Gerd Binnig
- Heinrich Rohrer
Related topics
Seminal works
- griffiths2018
- landau1977
Frequently asked questions
- هل ينتهك النفق مبدأ حفظ الطاقة؟
- لا؛ فالجسيم يمتلك نفس الطاقة قبل وبعد، ولم يتم قياس الطاقة أبدًا لتتجاوز ارتفاع الحاجز داخله. ينشأ التأثير لأن الجسيم الكمومي لا يمتلك مسارًا محددًا أو طاقة محددة بدقة وموضعة في منطقة الحاجز.
- لماذا يعتبر النفق حساسًا جدًا لعرض الحاجز؟
- تتلاشى الدالة الموجية أسيًا داخل الحاجز، لذا فإن السعة المنقولة تتناقص أسيًا مع العرض؛ حتى الزيادة الصغيرة في سمك الحاجز يمكن أن تقلل احتمالية النفق بمقادير كبيرة، وهذا هو السبب في أن مجهر المسح النفقي دقيق للغاية.