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양자 터널 효과 학습 목표
양자 터널 효과를 설명할 수 있다.
양자 터널 효과에 의한 예를 들 수 있다.
자신이 가진 운동 에너지보다 더 높은 퍼텐셜 장벽을 뚫고 마치 터널을 지나듯이 입자가 이동하는 현상
특징: 입자가 가지는 파동의 성질 때문에 운동 에너지보다 높은 퍼텐셜 장벽을 만나면 일부는 반사하고 일부는 투과할 수 있다.
양자 터널 효과란?
① 원자량이 매우 큰 우라늄 원자는 입자를 방출하면서 토륨으로 변한다.
붕괴
② 핵력에 의해 강하게 우라늄 원자핵에 구속된 입자가 양자 터널 효과로 퍼텐셜 장벽을 넘어 바깥으로 나올 확률이 존재한다.
투과 계수
① 입자가 퍼텐셜 장벽에 부딪혔을 때 입자가 장벽을 투과할 확률 → 슈뢰딩거 방정식을 풀어 구한다.
(예) 투과 계수 0.001: 퍼텐셜 장벽에 1, 번 부딪힐 때 1개의 입자가 퍼텐셜 장벽을 투과함을 의미
② 퍼텐셜 장벽이 얇고, 높이가 낮을수록 투과 계수가 증가한다.
③ 입자의 질량이 작을수록 투과 계수는 커진다.
불확정성 원리로 본 양자 터널 효과
입자의 에너지는 매우 짧은 시간 동안은 퍼텐셜 장벽을 넘을 만큼의 에너지를 가질 수 있기 때문에 입자가 장벽 너머에서 발견될 수 있다.
stm(주사 터널링 현미경)
stm의 탐침과 시료 사이에 전위차를 조절하여 퍼텐셜 장벽을 낮춘다.
퍼텐셜 장벽이 낮을수록 전자가 시료에서 탐침으로 이동할 확률이 증가한다.
전자의 이동 정도는 시료와 탐침 사이에 흐르는 전류(터널링 전류)의 세기로 측정한다.
탐침과 시료 사이가 가까울수록 양자 터널 효과가 일어날 확률이 커지며, 탐침과 시료 사이에 흐르는 전류의 세기가 세다.
물체의 표면 구조 관찰: 탐침을 주사하는 동안 전류의 세기를 일정하게 유지하도록 탐침의 높이를 조절 → 탐침의 높이를 조절하는 데 압전 소자를 이용하여 압전 소자에 걸린 전압을 컴퓨터에서 처리하여 영상으로 나타내어 물체의 표면 구조(표면의 전하 분포) 관찰 (이하 생략)
