3. 隧穿效应

量子论中，即使势垒的高度大于粒子的能量，微观粒子也能够以一定的概率穿入或穿越势 垒，发生“量子隧道效应”。在经典力学里，这是不可能发生的。但用量子理论中电子波 函数满足的波动力学则可以解释，因为在波动力学理论中，不存在不能穿透的势垒。

隧道效应是被美籍俄裔物理学家伽莫夫（George Gamow，1904 年-1968 年）最早发现的， 他用隧道效应成功地解释了 α 衰变，是量子力学研究原子核的最早成就之一。

在经典力学中，不可能有“穿墙术”这种怪事，粒子不可能越过比它的能量更高的势垒。 势垒就像挡在愚公家门口的大山，功力不够就无法逾越。好比我们骑自行车到达了一个斜 坡，如果坡度小，自行车具有的动能大于坡度的势能，不用再踩踏板就能“呼哧”一下过 去了。但是，如果斜坡很高的话，自行车的动能小于坡度的势能时，车行驶到半途就会停 住，不可能越过去。

又比如，我们在一个门窗紧闭的教室里听讲座，没有人能够穿过墙壁到外面去吧。但是， 让我们设想，我们和教室都变得越来越小，越来越小……我们变成了 α 粒子，教室变成 了阻挡 α 粒子脱离的原子核。这时，情形就不太一样了。根据量子理论，微小世界里的 α 粒子，没有固定的位置，是模糊的一团“波包”。因此，我们每个人本来就像云彩和 雾一样弥漫于整个教室，甚至于包括教室外面，也有我们的淡淡身影。正像英国物理学家 R.H. 否勒在那年冬天听了伽莫夫在伦敦皇家学会作“隧道效应”演讲之后，笑说道： “这间房间的任何人都有一定的机会不用开门便离开房间啊！”

这就是隧道效应，它可以用量子力学中微观粒子的波动性来解释。因为根据波动理论，电 子波函数将弥漫于整个空间，粒子以一定的概率（波函数平方）出现在空间每个点，包括 势垒障壁以外的点。换言之，粒子穿过势垒的概率可以从薛定谔方程解出来。也就是说， 即使粒子能量小于势垒阈值的能量，一部分粒子可能被势垒反弹回去，但仍然将有一部分 粒子能穿过去，就好像在势垒底部存在一条隧道一样，见图 1-1。

隧穿效应不仅解释了许多物理现象，也有多项实际应用，包括电子技术中常见的隧道二极 管、实验室中用于基础科学研究的扫描隧道显微镜等【6】。