基本介紹
- 中文名：隧穿勢壘層
- 外文名：Tunneling barrier layer
- 別名：量子隧穿效應
- 學科：半導體物理學、超導體物理學
- 例子：阿爾法衰變
隧穿勢壘層的發展,重要套用,恆星核聚變,放射性衰變,天體化學,量子生物學,
隧穿勢壘層的發展
1928年，喬治·伽莫夫正確地用量子隧穿效應解釋了原子核的阿爾法衰變。同時期，RonaldGurney和EdwardCondon也獨立地研究出阿爾法衰變的量子隧穿效應。不久，兩組科學隊伍都開始研究粒子穿透入原子核的可能性。量子隧穿效應也可以存在於某些化學反應中。此類反應中，反應物分子的波函式從反應勢壘穿過即可使反應發生，而在經典的化學反應中，反應物分子只有獲得足夠能量，越過活化能的能壘，反應才可以發生。發生隧穿的粒子質量越小（德布羅意波長越大），勢壘的寬度越小（即勢壘越窄），反應受量子隧穿效應的影響的可能性越大。因此一般發生隧穿的都是電子、氫原子或氘原子，很少有較重元素的原子參與隧穿的。
勢壘的寬度則由粒子隧穿前後所處位置之間的距離所決定，兩個反應位點距離越近，隧穿的程度越大。並且能壘越低，隧穿程度也越大。 驗證量子隧穿效應存在於化學反應中的一種方法是動力學同位素效應（KIE）。在KIE實驗中，反應的一個反應物的某一原子分別被同一元素質量不同的同位素所標記，分別進行反應，通過對比兩者的反應速率，可以得出關於反應機理的信息。若一個反應的速率控制步驟涉及該同位素與其他元素形成的化學鍵的斷裂，由於越重的同位素形成的化學鍵越不容易斷裂，因此使用同一元素不同同位素標記的反應物參加反應時，反應的速率也應該是不同的，重同位素標記的反應物參與的反應速率應該較慢。如果這兩種同位素分別是氕和氘（即氫-1和氫-2），通常情況下，kH/kD的值應該在6-10之間，也就是說，含C-H鍵的反應速率是含C-D鍵的反應速率的6-10倍。但如果反應中存在量子隧穿效應，由於質量m在因子Q中是處在指數位置上的，m的變化對速率的影響很大，因此kH/kD的值應該遠大於10。實驗事實也證明了這個假設。比如在下面的反應中，硝基丙烷的阿爾法-氫被有位阻的吡啶去質子化，並被碘代，反應的KIE值在25°C時卻達到25，意味著反應中很可能存在量子隧穿效應。
修正項Q的存在，使得存在量子隧穿效應反應的速率k受溫度T影響很小。相對於普通的化學反應，在溫度明顯升高或降低時，此類反應的速率通常不會有很明顯的變化，僅有很小的差異。低溫下，量子隧穿效應反而更加明顯，研究此類反應也通常在低溫下進行。然而，溫度的升高，使一部分分子躍遷到第二振動能級（n=1）上，降低了勢壘寬度，使反應速率加快。這便是速率受溫度影響不為零的緣故。 量子隧穿效應最常見於有機化學反應中，尤其是一些含活性中間體的一種機制。酶使用量子隧穿效應來轉移電子及氫原子、重氫原子一類的原子核。實驗也顯示出，在某種生理狀況下，甚至連葡萄糖氧化酶(glucoseoxydase)的氧原子核都會發生量子隧穿效應。質子-質子鏈反應也是量子隧穿效應的例子之一。有科學家認為，化學反應中的量子隧穿效應是宇宙中眾多有機分子得以合成的基礎，也有可能是合成早期生命所需的有機化合物的重要機制。外太空中，溫度極低，並且存在著大量的氫元素和氦元素，和大量的甲醛分子作合成原料，這些因素，都有利於量子隧穿效應的發生。通過很多類似的反應，可以由簡單的無機原料，突破傳統化學反應的禁阻，合成很多複雜的有機化合物。這些有機分子很可能與生命起源有重要關聯。
重要套用
恆星核聚變
在恆星里發生的核聚變的關鍵機制是量子隧穿效應。恆星中心的溫度大約為10K，原子核的平均熱動能大約為1keV。倘若要實現核聚變，原子核必須具有足夠能量來克服庫侖位勢壘，使得原子核與原子核之間的距離小於10m，這能量大約為1MeV，足足約為原子核平均熱動能的1000倍。因此，單獨熱動能並不能克服庫侖位勢壘來促成核聚變。儘管原子核的能量超小於庫侖位勢壘的位勢，量子隧穿效應仍舊能夠讓原子核穿越庫侖位勢壘，從而促成核聚變。
在地球上，複雜的多細胞生命的演化有一個先決條件，即幾十億年長期穩定的太陽照射。在其它太陽照射的適居行星也可能需要這先決條件。到底是靠什麼機制使得這么長時間的穩定太陽照射成為可能？在太陽內部，最主要的反應是質子-質子反應，其隧穿機率大約為10，這給出跡象為什麼太陽能夠那么長時期地靜燃燒氫原子（quiescenthydrogenburning）。然而，隧穿機率並不是反應機率（reactionprobability），另外還有幾種關係到反應機率的重要因素，例如，貝塔衰變的速率。隧穿機率使得反應機率極度地與溫度有關，因此使得太陽內部的反應率變得很小，從而促成長時期地靜燃燒氫原子，這時期長達幾十億年，因此可以讓複雜的多細胞生命在地球進行演化。
放射性衰變
放射性衰變也是天體生物學的一個重要論題，因為放射性衰變能夠長期產生能量在適居帶以外的環境，其無法利用太陽照射來產生能量。例如，土衛二擁有活躍的地質，它很可能存在著生命，量子隧穿效在這裡扮演了很重要的角色。長期放射性核素，鈾-238、鈾-235與釷-232等等，通過α衰變給出放射熱，其能夠融化土衛二內部的冰結構，從而促使潮汐熱也能有效地產生作用，放射熱與潮汐熱共同使得這個小衛星擁有高度活耀的地質與水文。由此，人們認為，土衛二很可能隱藏著原始生命。
地球有些不被太陽照射的區域仍舊能夠提供生物適居條件，α粒子隧穿機制在這裡扮演重要角色，例如，在深海里，厭氧綠硫細菌利用地熱光來進行不產氧光合作用，地熱光是源自於高溫海底熱泉的熱幅射，而地球的熱通量大約有50%是源自於鈾-238與釷-232，這意味著地熱能的很大部分可以歸因於α粒子隧穿機制。在太陽系裡的各種天體的地表下面不被太陽照射的區域，由於α粒子隧穿機制提升溫度，很可能會隱藏著海洋。在化學演化、前生命化學、地外生物學等等學術領域，這論題相當有意思。
天體化學
在星系之間，星際雲的物質大多數是由氫氣與氦氣組成，其它最常見的元素有炭、氮、氧、鎂、鐵，大約為星際物質的0.1%。暗雲與中性瀰漫雲代表較冷的星際雲區域，溫度大約在10K至100K之間，由於內含灰塵的密度很高，大約為10原子每立方公分，電磁輻射無法傳播進入內部區域，溫度甚至可降低至30K。在冷星際雲里，氫分子是豐度最高的分子，這揭示了一個長久未解的問題：由於氣態合成法的效率很低，以及紫外線與宇宙線的破壞，不應該會測量到那么高豐度的氫分子。學者認為，氫原子被吸附在灰塵表面，在低溫時，移動性應該很低，很不容易與其它氫原子會合，從而形成氫分子，然而，通過量子隧穿機制，氫原子可以在灰塵表面擴散，有較高的移動性，因此能夠較容易地與另一個氫原子會合，從而形成氫分子。
在星際雲里，水分子、一氧化碳、甲醛與甲醇的合成，都需要用到量子隧穿機制，其可以促進在灰塵顆粒各種表面反應朝向重要前生命分子的合成。
量子生物學
在量子生物學裡，量子隧穿效應是幾個重要的不平凡量子效應之一。對於許多生化學的氧化還原反應，例如，光合作用、細胞呼吸作用等等，電子的量子隧穿效應是關鍵因素。在DNA的自發性點突變里，質子的量子隧穿效應是關鍵因素。
佩爾-奧洛夫·勒夫丁首先給出，在雙螺旋里由互變異構化引起的自發性點突變理論。他認為，質子可能會隧穿透過在DNA鹼基對內的氫鍵的位勢壘，假設在質子隧穿之後，DNA又完成了複製的動作，則這整個過程被稱為自發性點突變。這過程意味著，質子的量子隧穿效應會影響DNA的主要功能，即基因信息的可靠儲存。
電子的量子隧穿機制是DNA能夠被修復的關鍵要素。紫外線照射會引起DNA鏈形成多個嘧啶二聚體，使得DNA遭到損害，DNA轉錄與DNA複製的功能被嚴重影響，甚至導致遺傳密碼被錯讀與突變。因紫外線照射產生反應，DNA鏈的相鄰嘧啶被二聚在一起。黃素蛋白光裂合酶能夠修補這種變樣的DNA。通過電子傳輸，連結嘧啶的共價鍵會被分裂，這樣，嘧啶二聚體得以變回先前的正常單體。在電子傳輸過程中，倚靠長距量子隧穿機制（最長距離約為3納米），電子才可從黃素部分移動至二聚體部分。總結，黃素蛋白光裂合酶之能夠修復被紫外線照射損害的DNA，完全是倚靠電子的長距量子隧穿機制。
