На первый взгляд, квантовая физика - это что-то далекое от повседневной жизни, в школе ее проходят совсем чуть-чуть, а в университетах - только специалисты. Но если приглядеться, то с проявлениями квантовомеханических законов мы сталкиваемся почти с пеленок. Играет вот, мой малыш с воздушными шариками или магнитиками, а я сижу и думаю - туннельный эффект, обменное взаимодействие... Но обо всем по порядку.
Электризация трением была известна человечеству с древних времен, и в школьной программе это то, с чего начинается изучение электричества. В учебнике пишут, что при контакте заряженные частицы переходят с одного тела на другое, затем уточняется, что эти частицы - электроны. Но вот вопрос, каким именно образом электроны преодолевают этот промежуток между двумя телами? Для электронов диэлектрика внешняя среда (по сути, вакуум) - это потенциальный барьер. Энергии электронов внутри вещества не хватает, чтобы его преодолеть (если бы хватало, они бы и так вылетали). Работа, совершаемая силой трения, передается молекулам, а не электронам, и тут она не может играть существенной роли. На самом деле, вопрос о механизмах электризации трением является сейчас предметом активного изучения с помощью самых современных технологий - сканирующей микроскопии. В качестве одного из механизмов перехода электронов через вакуум ученые рассматривают квантовомеханический туннельный эффект.
Где, собственно говоря, находятся эти электроны? Это, на самом деле, совершенно не детский вопрос. Квантовомеханическое описание мира, в отличие от классической физики Ньютона, отвечает не на вопрос "в какой точке пространства находится тело", а на вопрос "с какой вероятностью тело находится в данной точке пространства". Так вот, суть туннельного эффекта заключается в том, что существует ненулевая вероятность нахождения частицы в той области, где его пребывание запрещено законами классической физики. (В жизни, наверное, это обычное дело - нельзя, но если очень хочется, то можно). В том случае, если за классически запрещенной областью (барьером) есть разрешенная область, то частица может проникать за барьер. Таким образом, малая часть электронов перескакивает с волос на шарик, при этом волосы заряжаются положительно, а шарик - отрицательно.
Конечно, явление электризации трением - трибоэлектрический эффект - не сводится к простому туннелированию, и еще остается большое поле для исследований ученых. На практике, конечно, мотивацией исследователей вовсе не является игра в воздушные шарики с натиранием волос. Электризация, например, является основным механизмом действия лазерного принтера - частицы тонера прилипают к бумаге за счет статического электричества. Генератор Ван де Граафа позволяющий накапливать огромные заряды, тоже работает на электризации трением. При сканирующей туннельной микроскопии поверхностей исследование механизмов перехода зарядов - самое необходимое дело.
В общем, сижу я, натираю сыночку волосы шариком, одним глазом читаю, что пишут в Nature и Physical Rewiev на эту тему... А пишут много, и разобраться не так-то просто. Но я надеюсь, что прочитав эту маленькую заметку, вы сможете ощутить близость квантовой механики к жизни. В следующей статье (часть 2) я буду играть в магнитики.
Спасибо за внимание!