Проведён анализ принятого механизма подбарьерного туннелирования, когда частицы малой энергии имеют вероятность пройти через высокий потенциальный барьер. Показана его противоречивость с законом сохранения энергии не только в классической области физики. Предложен механизм явления, в основе которого лежит процесс осцилляции потенциального барьера. Это приводит к вероятности прохождения частицей малой энергии через барьер в момент его осцилляционного минимума.

Туннельный эффект (туннелирование) - преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера. Туннельный эффект - явление квантовой природы, невозможное в классической механике. Явление туннельного эффекта лежит в основе многих важных процессов в атомной и молекулярной физике, в физике атомного ядра, твёрдого тела и т.д.

На рубеже 19-го и 20-го веков были обнаружены α и β распады, которые часто сопровождались γ- излучением. В 1928 г. разработана теория α - распада как туннельного процесса (Г. Гамов, Э. Кондон, Р. Герни). Теория туннелирования Гамова объяснила сильную зависимость периода полураспада α излучающих нуклидов от энергии α - частицы. Однако величины периодов полураспада для многих ядер были предсказаны с большими погрешностями. Поэтому теория Гамова неоднократно усовершенствовалась.

Анализ литературы показывает, что в основу физики туннельного эффекта положен принцип неопределённости Гейзенберга и волновые свойства частиц. Фиксация положения микрочастицы приводит к возрастанию её импульса, в результате чего возникает вероятность проникновения через потенциальный барьер. Во втором случае считается, что волна никогда не оказывается полностью сосредоточенной в области барьера. Это и позволяет частице пройти сквозь барьер.

Рассмотрим подход к объяснению туннельного эффекта, связанный с принципом неопределённости Гейзенберга. В классической физике считается, что каждая динамическая переменная системы может быть измерена в принципе сколь угодно точно. Анализ реального поведения микроскопических систем, проведённый Гейзенбергом показал, что существует принципиальный предел точности, с которой параметры микросистем могут быть измерены и указаны. Этот предел точности измерения, принцип неопределённости, для координаты положения микрочастицы q и её импульса p записывается соотношением: Δq · Δp ≥ h/4π. Где Δq и Δp - средние ошибки измерения q и p. В классической физике в соответствии с законом сохранения энергии считается, что если полная энергия частицы Ɛ ˂ U₀, то частица не может проникнуть за потенциальный барьер U₀ и отразится от него. Так как полная энергия частицы

Ɛ = p²/2m₀ + U₀ меньше высоты потенциального барьера, то в случае проникновения за барьер её импульс p = √2m₀(Ɛ - U₀) стал бы чисто мнимым. В квантовой механике принято считать, что прохождение микрочастицы с энергией Ɛ ˂ U₀ через потенциальный барьер не приводит к бессмысленному выводу об отрицательной кинетической энергии. Кинетическая и потенциальная энергия, согласно принципу неопределённости, не имеют одновременно точных значений. Так как ширина барьера имеет определённое значение, то неопределённость импульса Δp ˃ h/4πа. Где а - ширина барьера. Связанная с этим разбросом кинетическая энергия микрочастицы может оказаться достаточной для того, чтобы полная энергия частицы оказалась больше потенциальной. Таков подход к объяснению туннельного эффекта, связанный с принципом неопределённости Гейзенберга. Странный подход. Соотношение неопределённостей записано для погрешностей измерения. И на основе погрешности измерения делается вывод об абсолютной величине измеряемого параметра.

Рассмотрим подход к объяснению туннельного эффекта, связанный с волновыми свойствами микрочастиц. В этом случае теоретические построения строятся на представлении об амплитуде волны де Бройля как вероятностной характеристике. Квадрат амплитуды - есть вероятность нахождения частицы в данной области пространства. При прохождении через барьер амплитуда волны снижается по экспоненте, а частота волны (и энергия) остаётся неизменной. Квадрат остаточной амплитуды волны за барьером даёт вероятность прохождения волны - частицы через барьер. При таком подходе волна де Бройля не имеет физического смысла, а есть только математический объект. Это спорный момент на протяжении всего времени от построения квантовой механики. Эксперименты указывают на физическую реальность волновых свойств микрочастиц.

Туннельный эффект в принципе невозможен в рамках классической физики, т.к. нарушает основной закон физики. Но он невозможен и в микромире. Если есть вероятность частицы малой энергии пройти через высокий потенциальный барьер, то это означает, что есть вероятность нарушения закона сохранения энергии. И тогда как следствие становится возможным вечный двигатель первого рода.

Предлагается увязать эффект кажущегося туннелирования микрочастицы через высокий потенциальный барьер с осцилляциями потенциального барьера.

В 1936 г. Н. Бором было показано, что система частиц, связанных силами взаимного притяжения, может совершать коллективные колебания. Существование больших квадрупольных моментов ядер само по себе служит доказательством присутствия в них коллективных явлений. Окончательно представление о существовании у ядер коллективных колебательных и вращательных состояний оформилось в начале 50-х гг. прошлого века из анализа схем уровней четно-четных ядер.

Атомное ядро по характеру возможных возбуждений ближе к молекуле, где наряду с одноэлектронными переходами возможны коллективные возбуждения - колебательные и вращательные. В молекулах (и ядрах) возникают три накладывающиеся ветви возбуждений, из которых одна одночастичная и две коллективных. Энергии одночастичных возбуждений в ядрах исчисляются мегаэлектронвольтами (расстояние между подоболочками). Коллективные ядерные возбуждения типа вибраций и вращений могут иметь энергии существенно более низкие. Вибрационные - сотни-тысячи килоэлектронвольт, вращательные - десятки-сотни килоэлектронвольт. Реальный ядерный спектр сложен. Лишь в очень ограниченном числе ядер (или ограниченной области энергий) доминирует какая-либо одна из выше перечисленных ветвей возбуждений. Кроме того, в ядрах большую роль играют такие состояния, в которых присутствует, одновременно смешиваясь, несколько типов возбуждений. Так, например, несферическое ядро, вращаясь, может при этом испытывать колебания формы и содержать несколько одночастичных возбуждений. Атомное ядро поэтому представляет собой исключительно сложный динамический объект, единственный в своем роде.

С ростом энергии возбуждений спектр ядерных коллективных возбуждений существенно обогащается. Появляются, например, поляризационные коллективные возбуждения, в процессе которых происходит динамическое пространственное разделение протонов и нейтронов ядра и последнее приобретает соответствующий, гармонически меняющийся со временем, электромагнитный момент. Частота подобных колебаний в ядрах 10²¹ - 10²² Гц. Отметим, что поляризационные дипольные колебания не запрещены. Они относятся к внутриядерным возбуждениям и протекают без смещения центра масс ядра.

формате PDF (259Кб)