Протонное туннелирование - это тип квантового туннелирования, включающий мгновенное исчезновение протона в одном узле и появление того же протона в соседнем узле, разделенном потенциальным барьером. Два доступных участка ограничены потенциалом двойной ямы, форма, ширина и высота которого определяются набором граничных условий. Согласно приближению ВКБ , вероятность туннелирования частицы обратно пропорциональна ее массе и ширине потенциального барьера. Электронное туннелирование хорошо известно. Протон примерно в 2000 раз массивнее электрона., поэтому вероятность туннелирования значительно ниже; тем не менее, туннелирование протонов все еще происходит, особенно при низких температурах и высоких давлениях, когда ширина потенциального барьера уменьшается.
Протонное туннелирование обычно связано с водородными связями . Во многих молекулах, содержащих водород, атомы водорода связаны с двумя неводородными атомами водородной связью на одном конце и ковалентной связью на другом. Атом водорода без электрона превращается в протон. Поскольку электрон больше не связан с атомом водорода водородной связью, это эквивалентно протону, находящемуся в одной из ям двухъямного потенциала, как описано выше. Когда протонное туннелирование происходит, водородная связь и ковалентные связи меняются местами. Как только протонное туннелирование происходит, тот же протон имеет такую же вероятность туннелирования обратно в свое исходное место при условии, что потенциал двойной ямы симметричен.
В паре оснований из в ДНК нитей соединены водородными связями . По сути, генетический код содержится в уникальном расположении водородных связей. Считается, что при репликации цепи ДНК существует вероятность протонного туннелирования, которое изменяет конфигурацию водородной связи; это приводит к небольшому изменению наследственного кода, лежащего в основе мутаций. [1] Точно так же считается, что туннелирование протонов отвечает за возникновение дисфункции клеток (опухоли и рак) и старение.
Туннелирование протонов происходит во многих молекулярных кристаллах на основе водорода, таких как лед. Считается, что фазовый переход между гексагональной ( лед Ih ) и ромбической ( лед XI ) фазами льда обеспечивается за счет туннелирования протонов. [2] Также недавно сообщалось о возникновении коррелированного туннелирования протонов в ледяных скоплениях. [3] [4] [5]
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Löwdin, ПО (1963). «Протонное туннелирование в ДНК и его биологические последствия». Ред. Мод. Phys . 35 : 724. Полномочный код : 1963RvMP ... 35..724L . DOI : 10.1103 / RevModPhys.35.724 .
- ^ Кастро Нето, AH; Pujol, P .; Фрадкин, Е. (2006). «Лед: сильно коррелированная протонная система». Phys. Rev. B . 74 : 024302. arXiv : cond-mat / 0511092 . Bibcode : 2006PhRvB..74b4302C . DOI : 10.1103 / PhysRevB.74.024302 .
- ^ Drechsel-Grau, C .; Маркс, Д. (2014). «Квантовое моделирование коллективного туннелирования протонов в гексагональных кристаллах льда». Phys. Rev. Lett . 112 : 148302. Bibcode : 2014PhRvL.112n8302D . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.112.148302 . PMID 24766024 .
- ^ Yen, F .; Гао, Т. (2015). «Диэлектрическая аномалия во льду около 20 К: свидетельство макроскопических квантовых явлений». J. Phys. Chem. Lett . 6 : 2822–2825. arXiv : 1508.00215 . DOI : 10.1021 / acs.jpclett.5b00797 .
- ^ Мэн, XZ; и другие. (2015). «Прямая визуализация согласованного туннелирования протонов в нанокластере воды» . Nat. Phys . 11 : 235. Bibcode : 2015NatPh..11..235M . DOI : 10.1038 / NPHYS3225 .