seegongsik
量子力学

量子隧穿

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。

在经典里,能量不够的球越不过山丘,只会弹回来。在量子里,波函数在墙里并不停下,只是按 exp(-κx) 悄悄变小。所以墙的另一边漏出一点振幅,通过的概率不是 0。第一张图是左边的振荡在墙里减弱,又在右边小小地活过来。

从左边来的波碰到墙,也不像经典粒子那样停下。墙里面振荡消失,振幅按 exp(-κx) 平滑地减小,到对面又变成小小的振荡活过来。把墙加厚,漏到右边的振幅就明显变小。波函数穿过墙也不断开,一直连着。

这里的透射概率是 0 和 1 之间没有单位的数,和扭矩的 T、周期的 T 不是同一个量。把粒子能量加大,靠近墙的高度,那个概率就向 1 鼓起来。大致是 T ≈ exp(-2κL),墙又高又厚,概率就陡地变小。衰减率是 κ = √(2m(V-E))/ℏ,它定下波在墙里减弱得有多快。

把两个世界并排放,差别就清楚。经典粒子能量低于墙,就是 T = 0,一定弹回去。量子粒子在同样的地方也是 T > 0,有一部分穿过墙。把墙加高,量子这一边的通过比例变小,却碰不到 0。经典上被堵住的区域,量子走进去并且穿过去。

靠近看墙的里面,振幅是按 exp(-κx) 落下的光滑尾巴。把衰减加大,也就是把墙加高,尾巴就掉得更陡。尾巴越陡,墙尽头留下的振幅越小,漏出去的也越少。墙越厚越高,衰减越快,透射就越少。

这种漏出藏在自然和技术的各处。可以选三个场面。阿尔法衰变里,核里的阿尔法粒子穿透核的势垒出来,那个通过概率定下半衰期。有一种电子显微镜用针尖和表面之间漏出的隧道电流画出原子。闪存让电子隧穿薄的绝缘势垒,把电荷关住,存下信息。

实际应用即使在比能量更高的墙里,波函数也不停下,只按 exp(-κx) 变小,所以对面漏出一点振幅,透射概率不是 0。衰减率 κ = √(2m(V-E))/ℏ 越大,尾巴越陡,T ≈ exp(-2κL) 就陡地变小。这一种漏出同时撑起阿尔法衰变的半衰期、用隧道电流看原子的显微镜,还有闪存。
← 量子力学
如果有帮助,请支持我们