真实存在的“穿墙术”——量子隧穿效应
魅力科学君2020-05-28 22:51
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根据经典力学，当一个运动的球遇到坚固的障碍物时，它必须从障碍物的顶部翻越过去才能通过，从能量的角度来讲，如果这个运动的球所具备的能量低于障碍物顶部的势能，那么这个球就绝对无法通过这个障碍物的阻挡。
这样的描述符合我们的常识，所以通常我们都会认为这是非常正确的结论，然而量子力学却告诉我们，这个结论是错误的，因为如果把这个运动的球换成量子世界里的微观粒子，那么我们就会发现，在自身能量不足的情况下，微观粒子依然有一定的概率直接穿过障碍物。
这就是我们今天要讲的，在量子世界里真实存在的“穿墙术”——量子隧穿效应（Quantum tunneling effect）。
在过去的日子里，科学家发现量子世界中的微观粒子神出鬼没，它们不但具有“不确定性”，而且还具有“波粒二象性”（即同时具备波和粒子的双重性质），为了正确地描述微观粒子，奥地利物理学家埃尔温.薛定谔（Erwin Schrodinger）提出了著名的薛定谔方程，在给定了某个微观系统的边界以及初始条件的情况下，人们就可以利用薛定谔方程了解到这个微观系统的性质。
这里需要科普一个名词——“势垒”，这是一种势能比周围的势能都高的空间区域，根据经典力学，如果微观粒子的能量不够的话，它就不可能通过“势垒”，所以我们可以简单地将其理解为，对于能量不够的微观粒子而言，“势垒”就是一堵不可穿越的墙壁。
上图为一维薛定谔方程（我们看一下就行了），通过解这个方程可以得出一个结果，即当量子波遇到“势垒”的时候，虽然其振幅将会指数级地下降，但在“势垒”另一侧的振幅却会有一定的概率不为零，这就意味着，微观粒子有一定的概率直接“穿墙而过”。
看到这里可能有人会问了，以上所述只是理论上的东西，那为什么要说量子隧穿效应是真实存在的“穿墙术”？有何科学依据？这就要从α衰变说起了，α衰变是一种很常见的衰变，其衰变的方式其实就是某个原子核释放出了一个由2个中子和2个质子组成的α粒子，同时其原子序数也会减2。
我们都知道，在宇宙四大基本力之中，强相互作用力排名第一，这种力就存在于原子核之内，它的作用就是将组成原子核的质子和中子紧紧地束缚在一起，这就意味着，在原子核内存在着一种由强相互作用力打造的“势垒”，在原子核内的微观粒子必须要有足够的能量才可以从原子核跑出去。
然而实际情况却是，α衰变所产生的α粒子根本就没有足够的能量，那它又是怎么从原子核里跑出来的呢？其实对于这个问题，当时的科学家们纠结了很长一段时间，直到1928年，美国物理学家乔治.伽莫夫（George Gamow）才用量子隧穿效应完美地解释了这个现象，并在此基础上推导出了描述α衰变的相关方程式。
注意，量子隧穿效应并非只存在于α衰变中，其实在1927年，德国物理学家弗里德里希.洪德（Friedrich Hund）在计算“双阱”电势的基态能量时就注意到了量子隧穿现象，而在同一年，美国物理学家沃尔夫冈.诺得汉（Wolfgang Nordheim）在观察电子从各种表面的反射情况时，又发现了另一种量子隧穿现象——“场电子发射”。
时至今日，人们早已对各式各样的量子隧穿现象习以为常，甚至在一些领域里，这种在量子世界里真实存在的“穿墙术”还得到了实际应用，其中最典型的例子，就是我们所使用的用于观察和定位原子的扫描隧道显微镜（STM）。
这种显微镜的原理就是利用原子级的导电探针来扫描材料的表面，当材料原子和针头之间距离足够近时，就会产生量子隧穿效应，进而形成隧道电流，而随着针头位置的改变，这种隧道电流就会出现差异，将这些数据收集起来再加以分析，我们就可以建立起一个非常详细的表面图片了。
好了，今天我们就先讲到这里，欢迎大家关注我们，我们下次再见`
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