Efeito túnel da mecânica quântica

Dualidade onda-partícula

Para entender o efeito túnel, ele deve retornar à dualidade onda-partícula da mecânica quântica.
Em 1911, Ernest Rutherford (1871 - 1937) especifica a estrutura do átomo e dá um tamanho ao núcleo atômico de cerca de 10^-14 metros, a pequenez desse tamanho é difícil imaginar em nossa mente, mas é nestas dimensões que as leis da mecânica quântica são expressas.
Na física clássica, os átomos consistem de um número de elétrons carregados negativamente e um núcleo casi pontual, carregado positivamente, mas lo levanta um paradoxo.
A materia deve desaparecer, aniquila-se, porque um elétron que irradia em torno de um núcleo perde energia (teoria de James Clerk Maxwell) e, portanto, deve cair sobre o núcleo. Isto significa que a estabilidade de um átomo é incompreensível no contexto da teoria clássica.
Por contras, a física quântica explica o mistério do átomo e da estabilidade da materia.
A física quântica já apareceu entre 1925 e 1927, derivada da mecânica quântica iniciada por Max Planck em 1900 e desenvolvida pelos grandes cientistas do século XX entre 1905 e 1924, Einstein, Bohr, Sommerfeld, Kramers, Heisenberg, Pauli e de Broglie.
No campo do infinitamente pequeno, uma partícula se comporta como uma partícula e uma onda.
A teoria quântica é a teoria não-determinista por definição, ou seja, mesmo se conhecemos todos os parâmetros no início, há fenómenos que não podemos prever.

Esta incerteza e indeterminação que são intrínsecas à teoria e, assim, as partículas subatômicas, constituintes da matéria.
Além da incerteza sobre a localidade, a mecânica quântica tolera a existência de estados entrelaçamentos, ou seja, no nível quântico vários objetos separados espacialmente podem formar um único objeto quântico, que reagem juntos, é importante para prever o efeito de túnel.
Em resumo, no mundo quântico, as partículas subatômicas, os objetos podem ser tanto aqui e ali, em um estado ou em outro. Não podemos determinar o estato de um "sistema quântico" que em observando, que tem o efeito de destruir o estado em questão.
A mecânica quântica, já em default até hoje, explica a existência da matéria. Esta é a grande aventura intelectual do século 20, mas tínhamos imagens para representar a estrutura da matéria quântica.
Desde a invenção dos primeiros microscópios, o homem queria sempre representar-se o mundo microscópico. Em 1981, dois pesquisadores da IBM, Gerd Binnig e Heinrich Rohrer foram capazes de "ver" dimensões muito, muito pequenas do átomo quando inventou o Microscópio de corrente de tunelamento (STM), que recebem o Prêmio Nobel de Física 1986.

N.B.: em 1928, o físico norte-americano George Gamow descobre o efeito túnel quântico.

Imagem: Imagem tirada com um microscópio de corrente de tunelamento. Esta imagem é de cerca de 5 nm mostra uma superfície de cobre, onde os átomos de cobre estão contidos dentro de um recinto quântico de 48 átomos de ferro. A barreira circular do ferro tem um raio de 71,3 Angstroms (71,3 x10-10) metros. Nós vemos os elétrons se comportar como ondas.
IBM Almaden Visualization Lab

Microscópio de corrente de tunelamento (STM)

O STM é amplamente considerado como o instrumento que abriu o caminho para a nanotecnologia, a ciência de semicondutores, a biologia molecular e muitas outras disciplinas científicas. Na década de 1980, não se pode ver, em seguida os átomos, os físicos alemão Gerd Binnig e Heinrich Rohrer utilizam um fenómeno quântico em que os átomos escapados da superfície de um sólido, formam uma espécie de nuvem pairam sobre a superfície. Por deslocação de um a ponta de metal sobre a superfície a uma distância muito pequena, a sobreposição de nuvens atómicas produz um intercâmbio atómico. A intercâmbio atómico produz uma quantidade muito pequena de corrente eléctrica flua entre a ponta e a superfície. Esta corrente eléctrica pode ser medido. É através destas variações de corrente que STM fornece informação sobre a estrutura e topografia da superfície. Em seguida, a partir desta informação, um modelo tridimensional em escala atómica é construído o que dá uma imagem da superfície da amostra.
Assim, podemos ver hoje, neste mundo quântico e representar-se a estrutura da matéria no infinitamente pequeno. Para esta invenção, Gerd Binnig e Heinrich Rohrer ganhar o prêmio Nobel de Física em 1986.

O microscópio de corrente de tunelamento precedeu todos os outros microscópios de campo próximo, mais modernos, como o microscópio de força atômica (AFM) e microscópio óptico de campo próximo.
Este tipo de microscópios de campo próximo permitiu o desenvolvimento da nanotecnologia que precisam manipular objetos de nanoescala (menor do que o comprimento de onda da luz visível de 400 a 800 nm).
O microscópio de corrente de tunelamento ilustra vividamente, a mecânica quântica, medindo a "recinto quântico".
As imagens de recinto quântico mostram uma analogia entre as ondas de matéria associadas com electrões e de ondas na superfície da água (imagem acima).
O microscópio de corrente de tunelamento exige a utilização de um condutor de electricidade, mas se a amostra é um isolador, utilizamos uma técnica semelhante para o microscópio de força atómica (AFM, Atomic Force Microscope).
Hoje em dia, os materiais amorfos não-cristalinas, são observados por microscopia de força atómica.

Imagem: A microscopia de corrente de tunelamento exige a utilização de uma amostra do material condutor da electricidade, mas, se a amostra é um isolador, em seguida, utilizada a microscopia de força atómica.
Omicron VT-AFM XA (AFM Atomic Force Microscope - STM Scanning Tunneling Microscope)

Efeito túnel

Chegamos agora ao efeito túnel. Em qualquer onda está associado uma partícula, é chamada a dualidade onda-partícula. Na física clássica, a partícula não pode escapar-se do seu núcleo, se a sua energia cinética é maior do que a energia potencial da sua ligação com o núcleo. Para um elétron, o limite para atravessar é a energia potencial da ligação, que é a força eletromagnética que mantém em seu recinto.
Para o próton, o limite para atravessar é a energia potencial da sua ligação, ou seja, a força nuclear forte que mantém aderindo a outros núcleos.
Na física quântica, isso acontece de outra forma, a partícula é representada pela sua onda e esta onda não é completamente aprisionado no interior do recinto em torno do núcleo, que pode ir para o outro lado da barreira potencial, mesmo que a sua energia cinética é menor do que a energia potencial.
É claro que a probabilidade de fuga do núcleo é extremamente pequeno, mas existe.
Além disso, esta propriedade da mecânica quântica explica a desintegração da matéria. Tudo se passa como se a onda cavou um "túnel" através da barreira de potencial de ser, do outro lado do declive, e assim libertado da cola electromagnética ou nuclear, a repulsão electrostática é maior, isto é conhecido como efeito túnel da mecânica quântica.
Assim, o electrão pode passar através do vácuo do átomo, sair do metal que o contém e chegar a outro metal condutor.
Mas a imagem da transição quântica é mais subtil, é comparável com a imagem de um fantasma que atravessa uma parede. Uma parte de nuvem prótonico ou elétronico passa a barreira de potencial, enquanto a outra permanece em átomo, 'bissectado" a nuvem vai se recuperar de um lado ou do outro, como se houvesse um nano túnel. A nuvem prótonico ou elétronico, portanto, passar ou não de acordo com sua energia cinética.

Em resumo, mais a barreira de potencial é maior, mais a espessura a atravessar é maior e mais o núcleo tem uma vida longa. Na verdade, isso explica os tempos de meia-vida dos isótopos (ver nota).
Os tempos de meia-vida é muito longa para alguns isótopos de elementos químicos, como o urânio-238 (4,5 bilhões de anos), o urânio-234 (240 000 anos) ou rádio 226 (1600 anos).
Ao contrário, a intensa radioatividade de radônio encurta a sua meia-vida é de 3,8 dias para radônio-222 usado em radioterapia.
Se representar por um diagrama, a energia potencial de uma partícula, tal como o electrão ou o protão ligado a um núcleo, pode-se imaginar uma colina muito inferior que é fora do centro de atração.
Deduzimos que mais a radioatividade é potente, menos o túnel a cavar é longo (foto junta).
Mas a onda não parou em um determinado ponto, ele se espalha na barreira, embora a sua amplitude diminui rapidamente se a barreira de potencial é muito fina, a onda passa como um fantasma e se espalha para o próximo ponto de atração.
Isto é uma consequência directa da natureza probabilística de onda associado com a evolução de uma partícula quântica, porque mesmo se a função de onda da partícula atravessando a barreira, há uma probabilidade não nula de atravessar.

N.B.: O tempo de semi-vida é o período radioactivo. Este é o tempo necessário para que metade dos núcleos radioactivos de um isótopo decai para tornar-se um elemento estável.

Imagem: Onda representando uma partícula no núcleo. A onda associada com a partícula não está totalmente localizada no centro do núcleo sobreponha ligeiramente mas do outro lado da barreira de potencial com uma probabilidade extremamente pequena.
Mais a barreira de potencial é maior, mais a espessura atraversar é grande. Wikipedia.