В монографии излагаются современные представления о туннельных процессах в различных физико-химических явлениях. Большое внимание уделено рассмотрению неаррениусовской низкотемпературной кинетики и ряду квантовых явлений в твёрдых телах и биологических системах.

Для специалистов, работающих в области химии, физики, биологии.

Табл. 5. Ил. 60. Библиогр. 511 назв.

К числу важнейших проявлений волновых свойств материи несомненно принадлежит туннелирование — способность квантовых частиц проникать сквозь потенциальные барьеры, высота которых превышает кинетическую энергию частиц, и преодолевать тем самым абсолютно запрещённую для них по законам классической механики подбарьерную область. Это фундаментальное свойство квантовых частиц было осознано почти сразу же, как только были сформулированы основные принципы квантовой механики, и на этой основе возникла теория альфа-распада ядер. В дальнейшем концепция туннелирования нашла широчайшее применение в различных областях ядерной физики и физики элементарных частиц, в физике и электронике твёрдого тела и даже в космологии.

Появление квантовой механики произвело революцию и в химии — были объяснены и количественно описаны атомные спектры и волновые функции, получили своё микроскопическое объяснение такие понятия, как химическая связь, потенциальный барьер, а микроскопическую теорию химических реакций стало возможным формулировать как количественную задачу. Естественно, что уже в конце 20-х годов возник вопрос о возможности протекания химических реакций неаррениусовского типа, сопровождающихся подбарьерными туннельными переходами реагентов. Долгое время развитие этой области было связано с изучением простейших теоретических моделей и поиском слабых отклонений от закона Аррениуса в газо- и жидкофазных реакциях, протекающих в сравнительно высокотемпературной области. Подробное изложение результатов этих многолетних усилий можно найти в монографии Белла [Bell R.P. The Tunnel Effect in Chemistry. L.: Chapman and Hall, 1980. 222 p.].

Качественно новый этап начался лишь после того, как исследователи обратились к изучению низкотемпературных твердофазных химических реакций. В экспериментальной области он ознаменовался обнаружением низкотемпературного плато константы скорости химических реакций сначала на примере реакции полимеризации формальдегида, а затем и в целом ряде других реакций. В теории же произошёл переход от рассмотрения простейших моделей туннелирования к описанию туннельных химических реакций в рамках теории безызлучатёльных электронных переходов. Существенным достижением здесь, на наш взгляд, было осознание той принципиальной роли, которую играют межмолекулярные колебания в дополнение к внутримолекулярным колебаниям, рассматриваемым в теории безызлучательных переходов в её стандартной формулировке.

Развитие области достигло такого уровня, когда возникла необходимость в обобщающей монографии, рассматривающей с единой точки зрения многочисленные теоретические и экспериментальные результаты, которые ещё не могли быть отражены в монографии Белла. Именно так мы и представляли себе нашу основную задачу при написании этой книги. Вместе с тем мы осознавали, что, помимо химических реакций, туннельный эффект играет принципиальную роль также и в ряде других — смежных — физических, физико-химических и биологических явлений. Поэтому значительная часть книги посвящена таким вопросам, как кинетические процессы в аморфных твёрдых телах, квантовая диффузия атомов, поверхностные явления в квантовых кристаллах, динамические свойства биополимеров.

Объединение этих, на первый взгляд разнородных, вопросов с туннельными химическими реакциями оказывается весьма плодотворным. Тот факт, что речь всё время идёт о туннелировании тяжёлых (порядка атомных масс) частиц, позволяет придерживаться при изложении всего материала единой точки зрения и усмотреть ряд общих свойств и характеристик в широкой совокупности явлений.

Естественно, что отбор материала и способ его изложения отражают собственные научные интересы и предпочтения авторов. В определённой мере это повлияло и на отбор цитированной литературы. Мы не ставили себе целью дать исчерпывающий обзор по каждому из вопросов, затронутых в книге, а старались цитировать лишь наиболее важные оригинальные работы, содержащие принципиально новые идеи или экспериментальные результаты. При этом мы смогли отразить результаты работ, опубликованных не позднее 1983 г., и лишь небольшое число работ, появившихся в 1984 г.

Книга состоит из десяти глав. После изложения в главе 1 общих представлений о туннелировании, идут четыре главы, посвящённые низкотемпературным химическим реакциям, происходящим за счёт туннельного эффекта. В главе 6 рассматриваются туннельные эффекты в аморфных веществах, в главе 7 — квантовая диффузия и поверхностные явления в квантовых кристаллах. Несколько особняком стоят главы 8 и 9, где обсуждаются прыжковая диффузия и туннельный захват электронов. В главе 10 коротко рассмотрены туннельные эффекты в биологических системах…

ПРЕДИСЛОВИЕ

Книги на ту же тему

1. Физики о физике. Сверхпроводимость, Ройзен И. И., сост., 1975