پديده تونل زنی (Tunnel Effect)

يك معجزه

كودكان براي دستيابي به درختان ميوه، از ديوار باغها بالا مي‌روند و بنابراين كشاورزان ديوارها را بلندتر مي‌سازند. در اين صورت ممكن است كودك با پرش از روي ديوار، وارد باغ شود، يا از نرده‌بان استفاده كند و يا از يك درخت بالا رفته و از آنجا روي ديوار بپرد و يا ... بديهي است كه راههاي متفاوتي براي اين كار وجود دارد.

كودكان امروز ديگر به افسانه‌هاي جن وپري اعتقاد ندارند اما اگر آنها با دنياي بي‌نهايت كوچكها سروكار داشتند، اجباراً مي‌پذيرفتند كه ذرات، از ديوارهاي سخت عبور مي‌كنند!

موضوع عبور از ديوار را دقيق‌تر بررسي مي‌كنيم. مقدمتاً مي‌دانيم كه هر اندازه جسم كوچكتر باشد، انرژي پتانسيل آن كمتر است. وقتي شما روي زمين مي‌ايستيد، كمتر از موقعي كه روي ديوار نشسته‌ايد، انرژي پتانسيل داريد. اختلاف اين دو انرژي پتانسيل برابر است با وزن جسم، ضرب در اختلاف فاصله گرانيگاه آن در دو حالت از سطح زمين، كه تقريباً برابر ارتفاع ديوار، منهاي يك متر است.

اگر شما به طريقي انرژي كسب نمائيد، موفق مي‌شويد كه از ديوار عبور كنيد. اين انرژي را مي‌توانيد از عضلات خود بدست آوريد و يا دوستانتان شما را بلند كنند و يا بعبارت ديگر كار انجام شده، بر ميزان انرژي پتانسيل شما مي‌افزايد و رفتن روي ديوار را عملي مي‌سازد. پائين رفتن از ديوار آسان است، زيرا نه تنها كوششي لازم ندارد، بلكه به منظور آهسته‌تر كردن سقوط و برعليه جاذبه زمين بايستي صرف انرژي نمود.

بديهي است كه انرژي پتانسيل درسوي ديگر ديوار، برابر حالت اول خواهد بود. اگر تغييرات انرژي پتانسيل را به هنگام عبور از ديوار رسم كنيم، قله‌اي درآن مشاهده خواهيم كرد كه از نظر فيزيك‌دانها سد پتانسيل ناميده مي‌شود.

در دنياي اتمي نيز ديوارهائي از اينگونه وجود دارند. براي مثال درهرتكه كه فلز مقداري الكترون تقريباً آزاد يافت مي‌شود، كه كمي به اتمهاي خويش وابسته‌اند. ولي عليرغم آزادي، شنيده نشده است كه الكتروني بخودي خود قطعه فلز را ترك كند، زيرا با اينكه اتصال الكترون و اتمهاي وابسته ضعيف است ولي يونهاي موجود، الكترونها را به سوي فلز مي‌كشند.

اثر كلي يونها برالكترونها, شبيه آن است كه الكترونها را در محوطه‌اي بوسيله ديوار, از فضاي اطراف جدا كرده باشيم.

از نظر تئوري بوهر, الكترونهاي يك قطعه فلز را مي‌توان, به توپهاي داخل يك گودال تشبيه كرد. همانطوري كه توپها از گودال خارج نمي‌شوند, الكترونها نيز در قطعه فلز خواهند ماند. اين موقعيت حاكم بر الكترون را, چاه پتانسيل مي‌ناميم.

البته الكترونها براي هميشه به فلز بسته نشده‌اند, بلكه تحت شرائطي مي‌توانند از سد بگذرند و به خارج راه يابند. براي مثال اگر الكترون را زير نور با طول موج به اندازه لازم كوتاه قرار دهيم, خروج الكترون ممكن مي‌گردد. فوتوني كه انرژي كافي داشته باشد, با يك ضربه مي‌تواند الكترون را به خارج پرتاب كند. اين شيوه كلاسيك عبور از سد پتانسيل است و با عبور كودكان از ديوار باغ اختلافي ندارد.

البته براي الكترونهاي يك قطعه فلز, سد پتانسيل, بيشتر شبيه يك پله است تا يك چاه. در مورد اول با حفر زمين چاه را بوجود مي‌آوريم و در مورد دوم يك ميدان الكتريكي قوي لازم خواهد بود. بهرحال شباهت توپ و الكترون در همين جا پايان مي‌يابد.

اگر معادله نيوتن را براي توپ واقع در گودال حل كنيم, نتيجه مي‌شود كه توپ, براي هميشه در گودال خواهد ماند, مگر اينكه انرژي كافي براي عبور از ديوار به آن داده شود. بدون حل معادله نيز باور داشتيم كه توپ از ديوار نخواهد گذشت, به همانگونه كه كودكان, بدون صرف انرژي نمي‌تواند از ديوار عبور كنند.

مكانيك كلاسيك تأكيد مي‌كند, كه توپ هرگز از گودال خارج نخواهد شد و احتمال خروج توپ صفر است.

اگر معادله شرودينگر را براي الكترون يك قطعه فلز كه در ميدان الكتريكي قرارگرفته است, حل كنيم, نتيجه غير منتظره خواهد بود. در اينجا احتمال خروج الكترون صفر نمي‌شود و تأكيد مي‌كنيم كه هرگز صفر نخواهد شد, با اينكه مي‌تواند مقدار بسيار ناچيزي باشد.

به نظر مي‌رسد كه الكترون مي‌تواند به داخل سد پتانسيل نفوذ كند و به سوي ديگر آن راه يابد, بر خلاف آنچه كه فيزيك كلاسيك پيش‌بيني مي‌كند. شايد هم نيروهاي اسرارآميز, تونلي را در ديوار تعبيه كرده و در اختيار الكترون قرار داده‌اند. از اينرو فيزيكدانها اين پديده غريب را پديده تونل (Tunnel Effect) نامگذاري كردند.