Чтение онлайн

Рассмотрим подробней эффект туннелирования и природу работы выхода электронов. Известно, что электрон может покинуть металл, лишь затратив энергию, равную работе выхода A[36, Ч.I]. Вот почему, для интенсивной электронной эмиссии из металла требуется его нагрев. Только так возникают электроны со скоростями и энергиями, достаточными для ухода с поверхности (термоэлектронная эмиссия). Но, как оказалось, электроны могут уходить даже с поверхности холодного металла, если приложить снаружи достаточно сильное электрическое поле (холодная эмиссия). Считали, что в классической теории такое невозможно. Ведь для того, чтобы электрон набрал в электрическом поле энергию выхода, ему надо пройти в этом поле некоторый путь, отойдя от поверхности. А, чтобы выйти из металла, нужна энергия, равная работе выхода A. Возникает порочный круг: электрон мог бы набрать требуемую энергию, если б перепрыгнул через энергетический барьер, но для этого-то ему и нужна энергия [134]. И, всё же, электроны как-то выбираются из металла, словно беря энергию взаймы и следуя не поверх барьера, а сквозь него, как сквозь туннель, огибают барьер словно волны, будучи размыты в пространстве и времени, за счёт квантовой неопределённости. Вот почему, этот туннельный эффект считают возможным лишь в рамках квантовой механики.

И, всё же, туннельный эффект не доказывает квантовых фантазий о размытом в виде волны электроне, но допускает чисто классическую трактовку, если правильно истолковать работу выхода. Прежде всего, подвижные электроны, даже в холодном металле, то и дело покидают его поверхность, придавая ей положительный заряд, который тянет электроны обратно (Рис. 169). В итоге, над поверхностью любого металла реет облако взмывающих и падающих электронов, — своего рода электронная атмосфера, окружающая металл тонким слоем. Эта прослойка и задаёт работу выхода. Каждый электрон, вырвавшись с поверхности металла, влетает в облако, электрическое отталкивание которого создаёт тормозящую силу FT, тянущую электрон назад. Электрон между отрицательно заряженной вершиной облака и положительно заряженной поверхностью оказывается как меж пластин конденсатора с запирающим полем.

По сути, тонкий слой электронного газа, обволакивающий поверхность металла, аналогичен атмосфере Земли, атомы которой тоже не могут уйти в космическое пространство, поскольку для этого необходимо преодолеть земное притяжение, совершив своего рода работу выхода. Скорости атомов меньше первой космической, и, взлетев до некоторой высоты, они возвращаются к поверхности. Лишь у планет с горячей атмосферой или малыми размерами атомы непрестанно утекают в пространство. Подобно концентрации атомов в атмосфере, концентрация электронов падает с удалением от поверхности — по экспоненциальному закону. И лишь редкие высокоскоростные электроны доходят до внешних слоёв электронного облака.

Нагрев металла ускоряет движение электронов, и всё большему их числу удаётся покинуть металл. Так возникает термоэлектронная эмиссия, аналогичная утечке атомов газа из нагретой атмосферы. В случае холодной эмиссии, реализуется иной вид утечки: не от роста скорости частиц электронного газа, а от падения запирающей силы и работы выхода (это соответствует утечке газов с малых планет, не способных удержать атомы своим полем). Ведь, при холодной эмиссии электрон находится не только в запирающем поле электронной атмосферы, но и во внешнем ускоряющем поле E, которое снижает возвратную силу FT и позволяет электронам, преодолев притяжение металла, покинуть его насовсем.

Прежде считали, что внешнее поле не способно придать достаточную энергию электрону, поскольку внутри металла электрическое поле отсутствует, а выйти из металла электрон, по прежним представлениям, не мог. Реально же электроны вылетают из металла и на пути Lнабирают в поле Eэнергию EL. То есть, внешнее поле успевает сообщить электрону энергию Aдостаточную для полного выхода из металла. Здесь и впрямь наблюдается, своего рода, туннельный эффект: электронный газ выходит на некоторую высоту из металла, не будучи скован его границами, словно он размыт. Но размытость эта не имеет ничего общего с квантово-механической неопределённостью положения и энергии электрона, с представлением его в виде волны. Явление имеет чисто классическую природу, ибо газы и атмосферы, в том числе электронные, не могут иметь чётких границ. Их граница всегда условна, размыта.

Наконец, и количественно ток электронов при холодной эмиссии вполне соответствует классической теории. Как было сказано, концентрация электронной атмосферы в приповерхностном слое металла спадает с расстоянием hот границы — по экспоненциальному закону Больцмана n~ e — h/H, подобно спаду концентрации молекул земной атмосферы с высотой h, где H~kT— характерная высота, растущая с увеличением температуры Tи оценочно равная толщине атмосферного слоя. Набрать энергию A, достаточную для полного улёта из металла, способны только те электроны, которые пройдут в ускоряющем поле Eпуть L=A/E. Иначе говоря, покинуть металл смогут электроны, взлетающие на высоту h> L.Число их легко найти интегрированием их концентрации n~ e — h/H, в пределах изменения hот высоты Lдо бесконечности. Отсюда найдём, что процент вылетающих электронов, способных покинуть металл, пропорционален e — L/H= e — A/HE. Именно такая зависимость тока холодной эмиссии I~ e — E'/Eи была найдена в опытах, где постоянная E'= A/H[36, 134].

Аналогично объясняется туннельный эффект для двух металлических пластин, отделённых тонким слоем диэлектрика. Электроны одной пластины влетают внутрь диэлектрика и, при малой его толщине, могут пройти в другую пластину. В отсутствие напряжения, этот поток уравновешивается обратным. Но, при наложении напряжения, этот баланс нарушается, и через такой контакт пойдёт небольшой ток, величина которого экспоненциально растёт с температурой Tи с уменьшением толщины Lдиэлектрика. Такое же тонкое электронное облако создаётся в переходном слое на границе двух металлов, имеющих разную концентрацию электронов, что объясняет контактную разность потенциалов.

Кроме того, как было показано ранее, существование работы выхода напрямую связано со свойствами атомов и молекул, с наличием у них энергии ионизации, поскольку металл можно рассматривать как одну гигантскую молекулу, имеющую определённую энергию ионизации, которая и есть работа выхода из металла (§ 4.3). Интересно, что чёткие механические представления о движении электронов в металле сформировались ещё в античном мире у Демокрита и Лукреция, которые представляли разряд молнии в виде тока мельчайших частиц (электронов), преодолевающих запирающее поле облака и стремительно вылетающих из тучи. Не зря, и в этой древней теории электричества нашла применение баллистическая аналогия, позволившая предвосхитить открытие работы выхода электрона, критического поля пробоя и ударной ионизации.

Другое проявление "туннельного" эффекта, уже для альфа-частиц, было рассмотрено выше (§ 3.14). Феномен тоже нашёл простое классическое истолкование, так что и -частицу ни к чему считать волной, вводя неопределённость её положения и энергии в ядре. Необходимую для отрыва от ядра энергию активации -частице сообщают случайные удары реонов, заставляющие компоненты ядра дёргаться наподобие броуновских частиц. Когда совокупная энергия ударов превысит энергию активации E a, -частица отрывается и дальнейший её разгон осуществляют кулоновские силы, отдающие потенциальную энергию E к(Рис. 132). При этом, вероятность получения энергии активации по законам математической статистики, экспоненциально убывает с ростом этой энергии. А, потому, если эта энергия велика, то распады происходят крайне редко: ядра имеют большой период полураспада T 1/2. Поскольку средняя запасённая в разных ядрах внутренняя энергия реакции E r— примерно одинакова, то полная энергия Eк= E r+E a, приобретённая -частицей за счёт внутренней энергии ядра и случайных ударов, мало отличается у разных ядер, составляя 2–9 МэВ. Причём, увеличение энергии -частиц, происходящее за счёт сообщения добавочной энергии активации E a, как говорилось, сопровождается очень сильным ростом периода полураспада ядра T 1/2. Тем самым, получает простое объяснение закон Гейгера-Неттола, теперь уже не требующий привлечения квантовой теории -распадов Гамова [135].

Аналогично было показано, что электрон, постоянно испускающий реоны или испытывающий их удары, тоже должен постоянно дёргаться, дрожать, что отчасти напоминает квантовую неопределённость его положения, однако, — с чисто классической природой. Наконец, некоторая "размытость" присуща электронам и по той причине, что они генерируют поток реонов не сами, а испускают прежде бластоны, взрывающиеся каскадами реонов на разном расстоянии от электрона — в пределах сферы распада, имеющей некоторую толщину и протяжённость (§ 3.18). Это приводит к тому, что кулоновские силы и закон Кулона, так же, как сила давления, порождаемая ударами атомов воздуха, имеют лишь среднестатистический смысл: на малых масштабах кулонова сила, подобно силе давления, оказывается случайно меняющейся, в какой-то момент оказываясь то больше, то меньше, — в зависимости от того, на каком расстоянии взрываются бластоны. Этим тоже можно, в некоторых случаях, объяснить эффекты туннелирования, которое происходит в те моменты, когда силы притяжения или отталкивания зарядов ослаблены или увеличены за счёт флуктуаций. Таким образом, эффекты туннелирования, хоть и связаны с вероятностными процессами, "размытостью" частиц, но вероятность и размытость эта — чисто классическая, детерминированная, имеющая простое наглядное механическое объяснение.

Основная проблема неклассической физики состоит, пожалуй, в том, что она лишает мир свойства быть объективной реальностью, делает его существенно зависящим от наблюдателя, то есть, по сути, — отрицает материальность мира и материалистический подход в науке. Все понятия и свойства тел становятся условными, относительными, неопределёнными. Относительным становится не только время, пространство, длина, масса, но даже понятие волна и частица. Поэтому, все кванторелятивистские теории вполне подходят под определение "релятивизма", — идеалистического учения, отрицающего возможность объективного познания действительности, вследствие якобы полной относительности наших знаний (§ 5.12). В самом деле, Эйнштейн, в своей теории относительности, ставит весь мир в подчинение наблюдателю: к нему всё привязано. Понятия ритма процессов, длины, массы и других индивидуальных характеристик тел, по Эйнштейну, уже не имеют смысла безотносительно к наблюдателю. Это — чистейшей воды субъективизм, отрицающий объективную реальность мира. Такая абсолютизация наблюдателя — это, по сути, возвращение к геоцентрической теории Аристотеля-Птолемея, ставивших в центр мира земного наблюдателя, относительно которого всё и вертелось. Совсем как Аристотель не мог себе представить, что Солнце "покоится", так же и Эйнштейн не мог представить "покоящегося" солнечного луча света, который якобы всегда должен двигаться относительно наблюдателя с одной и той же скоростью c, равно как с постоянной скоростью движется по кругу Солнце в системе Аристотеля. О том, что Эйнштейн свёл на нет достижение Коперника, говорил ещё век назад А.К. Тимирязев [25]. Именно абсолютизированный наблюдатель (или наблюдательный прибор) выступает во всех неклассических теориях как "Пуп Земли" и своими субъективными ощущениями задаёт физическую реальность.