量子隧穿效应的本质,一个人撞墙,有多大概率能穿过去?

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一个人撞墙,有多大概率能穿过去?

量子力学中,理论上存在这种可能,这个概率我们是可以估算的,不过完全可以忽略;因为就算你每秒撞一次,从宇宙开始到现在,然后宇宙再重复几亿个来回,也很难发生一次穿过的情况。量子隧穿效应在经典力学中,一个人撞击一道坚不可摧的墙壁,会被弹回来。但是在量子力学中,物质由微观粒子组成,微观粒子又具有波动性,于是微观粒子具有一定几率穿过墙,这种现象叫做“量子隧穿效应”。人由微观粒子组成,所以从本质上说,人也是有一定几率穿过墙的。量子隧穿效应的本质是不确定性原理,一道V0的势垒,粒子能量为E,对于E<V0,在经典力学中,粒子是不可以穿过势垒的。但是由于不确定性原理,可以使得粒子向真空“借”能量,从而使得E'>V0,为了保证能量守恒和能量时间不确定性原理(Δt·ΔE≧h/4π)成立,粒子借能量的时间必须非常短,而且“借”的能量是要归还的。随着势垒和距离的增大,粒子隧穿效应的概率将会大大降低,最终低到可以忽略,从而退化为牛顿力学。建立方程如下图:V0为方势垒,a为势垒宽度,左边(x<0)是物体穿越前的波函数,右边(x>0)是物体穿越势垒后的波函数。我们可以围绕三个区域,建立一维定态薛定谔方程:首先做个变量替换,然后对方程进行求解:结合边界,可以求出粒子贯穿方势垒的概率P:由概率方程可以看出,方势垒的距离和物体的质量越大,粒子穿越势垒的概率越低,而且概率呈指数衰减非常快。概率估算如果我们简单地带入数据:墙厚度0.2米,人的质量60千克,势垒差(V0-E)就取1,算出来的概率都是:P~10^(-10^34);即10^-10000000000000000000000000000000000,如此小的概率,就算有一亿个你,同时每秒撞一次墙,从宇宙开始到现在,然后宇宙再重复几亿亿个来回,也很难发生一次穿墙事件。以上计算,纯属对该问题的定性分析;在实际当中,势垒稍微高于几电子伏特,距离达到几十纳米时,量子隧穿效应几乎就可以忽略了。

量子隧穿效应原因?

由微观粒子波动性所确定的量子效应.又称势垒贯穿.考虑粒子运动遇到一个高于粒子能量的势垒,按照经典力学,粒子是不可能越过势垒的;

按照量子力学可以解出除了在势垒处的反射外,还有透过势垒的波函数,这表明在势垒的另一边,粒子具有一定的概率,粒子贯穿势垒.理论计算表明,对于能量为几电子伏的电子,方势垒的能量也是几电子伏,当势垒宽度为1埃时 ,粒子的透射概率达零点几 ;

而当势垒宽度为10时,粒子透射概率减小到10-10 ,已微乎其微.可见隧道效应是一种微观世界的量子效应,对于宏观现象,实际上不可能发生.在势垒一边平动的粒子,当动能小于势垒高度时,按经典力学,粒子是不可能穿过势垒的.对于微观粒子,量子力学却证明它仍有一定的概率穿过势垒,实际也正是如此,这种现象称为隧道效应.

对于谐振子,按经典力学,由核间距所决定的位能决不可能超过总能量.量子力学却证明这种核间距仍有一定的概率存在,此现象也是一种隧道效应.

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