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量子力学

量子会穿过墙壁渗出

即使在经典上无法越过的墙内,波函数也不为零,而是指数衰减,于是以透射概率 T 渗到墙的另一侧。

在经典世界里,能量不够的球翻不过山丘,只会弹回来。可在量子世界里,波函数在墙内并不会停下,只是按 exp(-κx) 轻轻衰减。于是有一点小小的振幅漏到墙的另一侧,粒子穿过去的概率 T 并不为零。第一幅图里,我们一起看左侧的振荡在墙内减弱,又在右侧以更小的幅度复活。

从左边进来的波碰到墙时,并不会像经典粒子那样停住。墙内振荡消失,振幅按 exp(-κx) 平滑地缩小。然后在墙的另一侧又以一个小振荡复活。拖动滑块把墙加厚,右侧透射的振幅就明显变小。波函数 ψ 穿过整面墙都连续不断,也不为零。

这里的 T 是透射概率,是介于 0 和 1 之间的无量纲数,跟力矩 T 或周期 T 完全不同。用滑块把粒子能量 E 调高,靠近墙高 V,T 就朝着 1 攀升。大致上 T ≈ exp(-2κL),所以墙越高或越厚,T 就骤降。这里 κ = √(2m(V-E))/ℏ 是衰减率,决定波在墙内消退得有多快。

把两个世界并排放在一起,差别就一目了然。经典粒子若能量低于墙,则 T = 0,必定径直弹回。量子粒子在同样的情形下却有 T > 0,因此有一部分穿过了墙。用滑块抬高墙,量子那一侧的透过比例会缩小,但绝不归零。经典上被禁止的区域,量子能进入并穿过。

凑近看看墙内发生了什么。振幅是一条按 exp(-κx) 下落的平滑尾巴。用滑块增大 κ,也就是把墙抬高,尾巴就俯冲得陡峭得多。尾巴越陡,留在墙远端的振幅就越小,漏出去的也就越少。墙越厚或越高,衰减就越快,透射也就少得多。

这种渗漏藏在自然与技术的各处。用分段选三个场景。在 α 衰变中,原子核内的 α 粒子穿过核的势垒逃出,那透射概率决定了半衰期。一种电子显微镜,靠在探针与表面之间缝隙里渗流的隧穿电流来描绘原子。闪存让电子隧穿过一层薄薄的绝缘势垒来俘获电荷,从而存储信息。

实际应用即便在比自身能量更高的墙内,波函数也不会停下,只是按 exp(-κx) 衰减,于是有一点小振幅漏到另一侧,透射概率 T 并不为零。κ = √(2m(V-E))/ℏ 越大,也就是墙越高或越厚,尾巴越陡,T ≈ exp(-2κL) 也就降得越急。这一种渗漏,撑起了 α 衰变的半衰期、靠隧穿电流看原子的显微镜,以及闪存。
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