Как ученику 10-го класса на пальцах объяснить эффект квантового туннелирования?

284
3
0
28 ноября
19:37
декабрь
2015

Не претендую на точность, я в конце концов студент, а не профессор, но попытаюсь объяснить как сам знаю.

Во-первых, о том, что такое частица. Могу поспорить, что вы представляете частицу как маленький шарик, который носится туда-сюда, стукается о другие шарики, но в общем остается внутри какого-то региона (если мы говорим об электроне, то это будет определенное расстояние от ядра плюс-минус что-то). И все бы ничего, но природа не согласна. Проблема с шариком в том, что мы бы могли его наблюдать, а значит знали бы его местонахождение. Кроме того, мы бы могли измерить его скорость, и это было бы здорово в нашем мире. Но по той же причине, по которой свет движется с одинаковой скоростью во всех инерциальных системах отсчета, микромир остается скрытным в том плане, что невозможно измерить (бесконечно точно) расположение и импульс частицы. Если отстраниться от идеи шариков, то единственное, что остается, так это представить частицу как волну материи, а точнее волновой пакет. При этом расположение будет ограничено "конвертом", то есть не будет точным, как природа и хотела, и импульс тоже будет неточным, так как пакет будет состоять из волн разных частот.

Если вы смогли принять идею о том, что частица не находится где-то конкретно, а может быть где угодно внутри определенного пространства, то для понятия туннелирования остается только представить ситуацию, когда это может произойти. Скажем, электрон движется по направлению к стене. И, конечно, я имею в виду волновой пакет, а не электрон как шарик. Когда электрон должен отскочить? Если бы это был шарик, то он был прикоснулся, сплющился, и отскочил. Но как волновой пакет, центр пакета сначала приблизится к стене, а значит краешек пакета может выглядывать с другого конца стены (нам нужна волна, а не обрезок, иначе это было бы математически некрасиво), и только потом пакет отскочит. В реальном же мире это означает, что есть некоторая (маленькая) вероятность, что электрон будет находиться по ту сторону стены. И некоторые электроны там и останутся.

В итоге, квантовое туннелирование - это результат (единственно возможный) того, что мир таков, какой он есть. Это можно либо принять, либо не париться и заняться чем-нибудь полезным.

Edit: Только сейчас обратил внимание на сам вопрос. В принципе мне кажется, что объяснение с волнами вполне себе пойдет, и более простого способа я не вижу. Если интуитивно, то никак, так как наша интуиция не распространяется на квантовый мир. Так что вот новый ответ: никак.

4
0
декабрь
2015

Если вы поняли, что ничего не понимаете в квантовой физике, значит вы немного приблизились к ее пониманию. Если отбросить логическое объяснение -то просто частицы "любят" когда за ними наблюдают и измеряют (они даже иногда спецально замедляются когда мы их наблюдаем). Так вот тунелирование это измерение: в результате эксперимента обнаружилось что частица оказалась по другую сторону препятствия - фокус, где фокусник природа.

1
0
ноябрь
2015

Наиболее простым языком все звучит так: микрочастица (обязательно микро, например электрон, нейтрон и так далее, с телами даже из нескольких атомов туннелирование невозможно) не может пройти сквозь какой-либо объект, например, лист бумаги. Нам очевидно, что пролет сквозь бумагу невозможен, это один из основных постулатов нашего мира, ведь мы не ходим сквозь стены!

Но, микрочастица откуда-то берет дополнительную энергию и пролетает лист бумаги насквозь, и при этом не теряет ни капли энергии. До сих пор плохо понятно, откуда частица берет эту дополнительную энергию.

Иван ЕрохинОтвечает на ваши вопросы в своейПрямой линии
1
0
Если вы знаете ответ на этот вопрос и можете аргументированно его обосновать, не стесняйтесь высказаться
Ответить самому
Выбрать эксперта