[科普中国]-隧穿势垒层

隧穿势垒层是指像电子等微观粒子能够穿入或穿越位势垒的量子行为，尽管位势垒的高度大于粒子的总能量。在经典力学里，这是不可能发生的，但使用量子力学理论却可以给出合理解释。在量子力学里，也叫量子隧穿效应1

隧穿势垒层的发展1928年，乔治·伽莫夫正确地用量子隧穿效应解释了原子核的阿尔法衰变。同时期，RonaldGurney和EdwardCondon也独立地研究出阿尔法衰变的量子隧穿效应。不久，两组科学队伍都开始研究粒子穿透入原子核的可能性。量子隧穿效应也可以存在于某些化学反应中。此类反应中，反应物分子的波函数从反应势垒穿过即可使反应发生，而在经典的化学反应中，反应物分子只有获得足够能量，越过活化能的能垒，反应才可以发生。发生隧穿的粒子质量越小（德布罗意波长越大），势垒的宽度越小（即势垒越窄），反应受量子隧穿效应的影响的可能性越大。因此一般发生隧穿的都是电子、氢原子或氘原子，很少有较重元素的原子参与隧穿的。

势垒的宽度则由粒子隧穿前后所处位置之间的距离所决定，两个反应位点距离越近，隧穿的程度越大。并且能垒越低，隧穿程度也越大。 验证量子隧穿效应存在于化学反应中的一种方法是动力学同位素效应（KIE）。在KIE实验中，反应的一个反应物的某一原子分别被同一元素质量不同的同位素所标记，分别进行反应，通过对比两者的反应速率，可以得出关于反应机理的信息。若一个反应的速率控制步骤涉及该同位素与其他元素形成的化学键的断裂，由于越重的同位素形成的化学键越不容易断裂，因此使用同一元素不同同位素标记的反应物参加反应时，反应的速率也应该是不同的，重同位素标记的反应物参与的反应速率应该较慢。如果这两种同位素分别是氕和氘（即氢-1和氢-2），通常情况下，kH/kD的值应该在6-10之间，也就是说，含C-H键的反应速率是含C-D键的反应速率的6-10倍。但如果反应中存在量子隧穿效应，由于质量m在因子Q中是处在指数位置上的，m的变化对速率的影响很大，因此kH/kD的值应该远大于10。实验事实也证明了这个假设。比如在下面的反应中，硝基丙烷的阿尔法-氢被有位阻的吡啶去质子化，并被碘代，反应的KIE值在25°C时却达到25，意味着反应中很可能存在量子隧穿效应。

修正项Q的存在，使得存在量子隧穿效应反应的速率k受温度T影响很小。相对于普通的化学反应，在温度明显升高或降低时，此类反应的速率通常不会有很明显的变化，仅有很小的差异。低温下，量子隧穿效应反而更加明显，研究此类反应也通常在低温下进行。然而，温度的升高，使一部分分子跃迁到第二振动能级（n=1）上，降低了势垒宽度，使反应速率加快。这便是速率受温度影响不为零的缘故。 量子隧穿效应最常见于有机化学反应中，尤其是一些含活性中间体的一种机制。酶使用量子隧穿效应来转移电子及氢原子、重氢原子一类的原子核。实验也显示出，在某种生理状况下，甚至连葡萄糖氧化酶(glucoseoxydase)的氧原子核都会发生量子隧穿效应。质子-质子链反应也是量子隧穿效应的例子之一。有科学家认为，化学反应中的量子隧穿效应是宇宙中众多有机分子得以合成的基础，也有可能是合成早期生命所需的有机化合物的重要机制。外太空中，温度极低，并且存在着大量的氢元素和氦元素，和大量的甲醛分子作合成原料，这些因素，都有利于量子隧穿效应的发生。通过很多类似的反应，可以由简单的无机原料，突破传统化学反应的禁阻，合成很多复杂的有机化合物。这些有机分子很可能与生命起源有重要关联。

重要应用恒星核聚变在恒星里发生的核聚变的关键机制是量子隧穿效应。恒星中心的温度大约为10K，原子核的平均热动能大约为1keV。倘若要实现核聚变，原子核必须具有足够能量来克服库仑位势垒，使得原子核与原子核之间的距离小于10m，这能量大约为1MeV，足足约为原子核平均热动能的1000倍。因此，单独热动能并不能克服库仑位势垒来促成核聚变。尽管原子核的能量超小于库仑位势垒的位势，量子隧穿效应仍旧能够让原子核穿越库仑位势垒，从而促成核聚变。2

在地球上，复杂的多细胞生命的演化有一个先决条件，即几十亿年长期稳定的太阳照射。在其它太阳照射的适居行星也可能需要这先决条件。到底是靠什么机制使得这么长时间的稳定太阳照射成为可能？在太阳内部，最主要的反应是质子-质子反应，其隧穿概率大约为10，这给出迹象为什么太阳能够那么长时期地静燃烧氢原子（quiescenthydrogenburning）。然而，隧穿概率并不是反应概率（reactionprobability），另外还有几种关系到反应概率的重要因素，例如，贝塔衰变的速率。隧穿概率使得反应概率极度地与温度有关，因此使得太阳内部的反应率变得很小，从而促成长时期地静燃烧氢原子，这时期长达几十亿年，因此可以让复杂的多细胞生命在地球进行演化。

放射性衰变放射性衰变是从不稳定的核素因为发射出辐射而变为其它种核素的过程，在这里，辐射可以是粒子或电磁辐射。这过程的实现倚赖量子隧穿机制。伽莫夫提出的α衰变机制是首次成功应用量子力学于核子现象的案例。

放射性衰变也是天体生物学的一个重要论题，因为放射性衰变能够长期产生能量在适居带以外的环境，其无法利用太阳照射来产生能量。例如，土卫二拥有活跃的地质，它很可能存在着生命，量子隧穿效在这里扮演了很重要的角色。长期放射性核素，铀-238、铀-235与钍-232等等，通过α衰变给出放射热，其能够融化土卫二内部的冰结构，从而促使潮汐热也能有效地产生作用，放射热与潮汐热共同使得这个小卫星拥有高度活耀的地质与水文。由此，人们认为，土卫二很可能隐藏着原始生命。

地球有些不被太阳照射的区域仍旧能够提供生物适居条件，α粒子隧穿机制在这里扮演重要角色，例如，在深海里，厌氧绿硫细菌利用地热光来进行不产氧光合作用，地热光是源自于高温海底热泉的热幅射，而地球的热通量大约有50%是源自于铀-238与钍-232，这意味着地热能的很大部分可以归因于α粒子隧穿机制。在太阳系里的各种天体的地表下面不被太阳照射的区域，由于α粒子隧穿机制提升温度，很可能会隐藏着海洋。在化学演化、前生命化学、地外生物学等等学术领域，这论题相当有意思。

天体化学在星系之间，星际云的物质大多数是由氢气与氦气组成，其它最常见的元素有炭、氮、氧、镁、铁，大约为星际物质的0.1%。暗云与中性弥漫云代表较冷的星际云区域，温度大约在10K至100K之间，由于内含灰尘的密度很高，大约为10原子每立方公分，电磁辐射无法传播进入内部区域，温度甚至可降低至30K。在冷星际云里，氢分子是丰度最高的分子，这揭示了一个长久未解的问题：由于气态合成法的效率很低，以及紫外线与宇宙线的破坏，不应该会测量到那么高丰度的氢分子。学者认为，氢原子被吸附在灰尘表面，在低温时，移动性应该很低，很不容易与其它氢原子会合，从而形成氢分子，然而，通过量子隧穿机制，氢原子可以在灰尘表面扩散，有较高的移动性，因此能够较容易地与另一个氢原子会合，从而形成氢分子。

在星际云里，水分子、一氧化碳、甲醛与甲醇的合成，都需要用到量子隧穿机制，其可以促进在灰尘颗粒各种表面反应朝向重要前生命分子的合成。3

量子生物学在量子生物学里，量子隧穿效应是几个重要的不平凡量子效应之一。对于许多生化学的氧化还原反应，例如，光合作用、细胞呼吸作用等等，电子的量子隧穿效应是关键因素。在DNA的自发性点突变里，质子的量子隧穿效应是关键因素。

佩尔-奥洛夫·勒夫丁首先给出，在双螺旋里由互变异构化引起的自发性点突变理论。他认为，质子可能会隧穿透过在DNA碱基对内的氢键的位势垒，假设在质子隧穿之后，DNA又完成了复制的动作，则这整个过程被称为自发性点突变。这过程意味着，质子的量子隧穿效应会影响DNA的主要功能，即基因信息的可靠储存。

电子的量子隧穿机制是DNA能够被修复的关键要素。紫外线照射会引起DNA链形成多个嘧啶二聚体，使得DNA遭到损害，DNA转录与DNA复制的功能被严重影响，甚至导致遗传密码被错读与突变。因紫外线照射产生反应，DNA链的相邻嘧啶被二聚在一起。黄素蛋白光裂合酶能够修补这种变样的DNA。通过电子传输，连结嘧啶的共价键会被分裂，这样，嘧啶二聚体得以变回先前的正常单体。在电子传输过程中，倚靠长距量子隧穿机制（最长距离约为3纳米），电子才可从黄素部分移动至二聚体部分。总结，黄素蛋白光裂合酶之能够修复被紫外线照射损害的DNA，完全是倚靠电子的长距量子隧穿机制。

本词条内容贡献者为:

李晓林 - 教授 - 西南大学