venerdì 27 gennaio 2017

Effetto Tunnel

L’effetto tunnel è un effetto quantistico, una di quelle particolari proprietà della materia che si hanno quando il sistema di riferimento ha dimensioni atomiche.
Da una serie di considerazioni ed esperimenti, nel secolo scorso si è determinato che la luce ha una doppia natura: ondulatoria (si comporta come un’onda) e corpuscolare (è composta di particelle, i fotoni). Il fisico Louis-Victeur De Broglie ebbe allora un’incredibile intuizione: ma se la luce, che è un’onda, è composta di materia (fotoni), allora forse non potrebbe essere vero anche il contrario, cioè che la materia abbia proprietà ondulatorie?

Ed è proprio così. Voi, io, lo smartphone che avete in mano, la sedia su cui siete seduti, ci comportiamo come onde. Oscilliamo. Non ve ne accorgete? Questo è perché l’ampiezza di quest’onda, in comparazione con la dimensione del sistema di riferimento (noi), è troppo piccola perché ce ne possiamo accorgere. Diventa però importante se le dimensioni sono, per esempio, quelle di un elettrone, che quindi si comporta esattamente alla stregua di un’onda.
L’elettrone (che ha carica negativa) è legato al nucleo dell’atomo (che ha carica positiva) da forze d'attrazione elettrostatiche: è quindi trattenuto da una barriera di potenziale. Se viene fornita la necessaria quantità di energia, l'elettrone può superare la barriera e venire espulso dall'atomo. In fisica classica è impossibile che la particella superi la barriera senza che le venga fornita energia. Immaginate di voler far superare a una pallina un dosso: le dovete fornire energia dandole un colpetto, altrimenti di suo non ci riuscirebbe. Senza dare energia, l'elettrone non potrebbe quindi sganciarsi dal nucleo, sarebbe come se una pallina da ping-pong oltrepassasse il vetro di una finestra.
Invece in fisica quantistica questo è possibile: l’elettrone “si ricorda” di potersi comportare come un’onda e oltrepassa la barriera, ma senza venire espulso, continuando a rimanere legato al nucleo. Insomma, è come se per far superare quel dosso alla pallina, voi scavaste un tunnel per farvela passare attraverso. Questo si chiama effetto tunnel.



Immaginate di avere una scatola di cioccolatini su di tavolino. La guardate e i cioccolatini sono tutti all’interno. Distogliete un momento lo sguardo e quando guardate di nuovo uno dei cioccolatini è fuori dalla confezione. Distogliete ancora una volta lo sguardo e quando lo riportate sulla scatola, il cioccolatino è di nuovo all’interno. Questa metafora descrive abbastanza bene l’effetto tunnel.
Ci sono anche delle applicazioni di questo fenomeno: il microscopio a effetto tunnel viene utilizzato per mappare la superficie di un campione.
Ma è davvero così importante? Sì, perché senza di esso l'universo come lo conosciamo non esisterebbe nemmeno. Quando due protoni hanno energia sufficiente, può avvenire una trasformazione che li porta a diventare un nucleo di elio (fusione nucleare), elemento da cui si originano poi tutti gli altri. In teoria questo processo sarebbe impossibile, considerando che i protoni sono positivi e che tra loro si respingono, ma grazie all’effetto tunnel si comportano come onde e sono in grado di oltrepassare la barriera di potenziale tra di essi, di incontrarsi e di fondersi.



Quindi senza l'effetto tunnel l'universo non sarebbe altro che un plasma caldo di particelle subatomiche. E immagino concorderete con me che questo sarebbe davvero un peccato.

25 commenti:

  1. Beh, come mostra il disegnino finale, si potrà oltrepassare un muro.
    Il bello è se non riusciamo a "ricomporci", ossia a far tornare il cioccolatino nella scatola XD

    Moz-

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    1. Beh, questa è una bella rappresentazione della differenza tra mondo macroscopico e nanoscopico: l'elettrone "attraversa" senza problemi il muro avanti e indietro (cioè il cioccolatino sarà sempre buonissimo!), mentre se ci prova una persona si prenderà solo una bella testata! :)

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  2. Vale forse qui il discorso che il cioccolatino è e allo stesso tempo non è all'interno della scatola?

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    1. Sono stato parecchio a riflettere sulla tua domanda perché era davvero intrigante. Comunque no. Ho capito a cosa ti riferisci, però no.
      Qui non si tratta di due stati egualmente probabili risolti dall'osservazione diretta del sistema. Il gatto nella scatola è vivo oppure è morto. Finché è chiusa le probabilità sono uguali e coesistono, quindi il gatto a livello quantistico è contemporaneamente vivo e morto. La risoluzione del paradosso si ha quando la scatola viene effettivamente aperta e si scopre cos'è successo al gatto.
      Qui le due situazioni non coesistono: o la particella ha superato la barriera di potenziale oppure non l'ha fatto, ma non entrambe le cose. Il gatto ha la stessa probabilità di essere vivo o essere morto; invece per la particella esiste una probabilità non-nulla di oltrepassare la barriera senza scambi di energia. La scatola dei cioccolatini è una metafora, perché non è un oggetto fisico, bensì solo un vincolo: in realtà è quel dosso di cui facevo l'esempio, quindi rimane esattamente dov'è ma senza essere vincolata. Sarebbe come se a un tratto sparisse la forza di gravità, ma tu continuassi a stare seduto come se niente fosse successo.

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    2. Sì, hai capito bene quello che intendevo. Grazie per la dettagliata risposta :-)

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    3. Grazie a te. Era una bella questione quella che hai posto e ci ho dovuto riflettere attentamente sopra. :)

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  3. Credo di aver visto anche questo effetto raccontato in un film, una volta. Mi ricordo vagamente la scena di un tizio che, accidentalmente si era ricomposto a metà strada, rimanendo metà da una parte e metà dall'altra parte di un muro.

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    1. Ahahah, ma no! Questo effetto vale solo per oggetti di dimensioni pari a un decimiliardesimo di metro, con una persona non sarebbe possibile, perché nel mondo macroscopico gli effetti quantistici non si avvertono! :)
      Più che altro non cogliete la metafora, vi siete fissati con muri e scatole, ma non si tratta di oggetti fisici, sono barriere di potenziale elettrostatico.

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  4. Ok, stamperò questo post per l'esame di Chimica Fisica 2 :D :D

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    1. Ah, quindi da voi l'effetto tunnel viene trattato in Chimica Fisica II? Io l'ho visto in corsi successivi. E ci ho messo davvero parecchio per comprenderlo! :)

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    2. Sì, purtroppo con i nuovi ordinamenti han mischiato un poco di tutto -.- in Chimica Fisica 1 facciam solo termodinamica e un poco di elettrochimica, in Ch.Fi.2 facciam meccanica quantistica, interazione radiazione- materia e cinetica e in Ch.Fisica 3 termodinamica delle superfici, forze intermolecolari e dispersioni colloidali.
      A mio avviso, han fatto una cavolata pazzesca.

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    3. Io ho fatto l'università col precedente ordinamento (a Torino), ed era così ripartita (4 crediti a esame):
      Chimica Fisica A: termodinamica
      // B: termodinamica delle soluzioni
      // C: cinetica
      // D: chimica quantistica
      // E: basi della spettroscopia
      // F: laboratorio
      Poi seguivano diversi corsi di spettroscopia. Gli altri argomenti li avevamo trattati in altri corsi apposta.
      Attualmente dovrebbe essere:
      A+B+C = Chimica Fisica I
      D+E = Chimica Fisica II

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    4. E invece no, almeno da noi a Catania l'han distribuita così come ho scritto più in alto...anzi, addirittura il laboratorio è unico per tutte e 3 le chimiche fisiche, ma viene fatto come "laboratorio di ch.fisica 2" pur non avendo ancora acquisito le basi della ch.fisica 3 che si studia solo l'anno successivo -.- Insomma, un pantano!

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  5. Davvero un bell'articolo, ma la domanda mi sorge spontanea: noi umani siamo composti da atomi, gli atomi sono composti da elettroni, protoni e neutroni, quindi noi tutti siamo essenzialmente composti da elementi quantistici che hanno una natura corpuscolare ed ondulatoria. E allora perchè se ci lanciamo su un muro non c'è mai possibilità di attraversarlo come invece può fare l'elettrone? Basterebbe "ricordarsi" che siamo delle onde, no?

    E soprattutto c'è una cosa che non mi è per niente chiara: perchè quando l'elettrone si comporta da particella non supera la barriera di potenziale mentre se si "ricorda" di essere un'onda invece riesce a superare la barriera? Oppure, detto ancora più sinteticamente: perchè le onde attraversano i muri e le particelle non lo possono fare? Tutte le onde attraversano i muri?

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    1. Intanto ti ringrazio dei complimenti. :)

      La risposta alla tua prima domanda è contenuta nelle primissime righe del post: l'effetto tunnel è una proprietà quantistica, cioè riguarda oggetti quantistici, che hanno dimensioni paragonabili a quelle atomiche. Nel mondo macroscopico questi effetti ci sono, ma sono trascurabili. Ovvero il nostro corpo non è un oggetto quantistico: si comporta in effetti come un'onda, ma la frequenza è talmente minima da rendere assolutamente trascurabile l'effetto; viceversa un elettrone, avendo ridotte dimensioni, mostra una frequenza ondulatoria considerevolmente più ampia, quindi l'effetto tunnel si verifica.
      Questo parlando da un punto di vista strettamente quantistico; da un punto di vista chimico, il muro non è attraversabile perché i corpi solidi sono impenetrabili: è vero che nella materia c'è molto spazio vuoto, ma un'operazione del genere metterebbe in avvicinamento i nuclei degli atomi che compongono il corpo e il muro, che pertanto si respingerebbero per repulsione coulombiana.

      La barriera è un potenziale elettrostatico: è data dalla forza di attrazione nucleo-elettrone (ovvero positivo/negativo), quindi l'elettrone è vincolato perché sente l'influenza magnetica del nucleo a rimanere nella sua zona. Ma quando "si ricorda" di essere un'onda, questo vincolo cessa di esistere e allora può superare la barriera, pur rimanendo legato al nucleo. E' strano da spiegare, però avviene, tanto che su di esso si basa il microscopio a effetto tunnel.
      Le ultime domande: ci sono particelle di vario tipo, muri (o meglio i materiali che li costituiscono) di vario tipo e anche onde di vario tipo.
      Scartiamo le onde sonore, che si propagano in un mezzo elastico (quindi con difficoltà in un solido). Tutte le onde elettromagnetiche sono costituite da particelle, i fotoni. Più l'onda ha maggiore energia più aumenta la sua capacità di attraversare un materiale (muro). Questo ti spiega perché le onde radio non sono dannose, mentre i raggi gamma sì. Particelle come raggi alfa, elettroni e neutroni hanno una capacità diversa di attraversare un mezzo solido: cioè hanno un diverso grado di penetrazione all'interno di un materiale, per cui dipende dallo spessore e dalla natura stessa del materiale. Per esempio i raggi X (costituiti da fotoni X) attraversano i tessuti molli del corpo umano, ma non quelli duri (ossa).

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    2. Riprendo questo tuo passaggio per focalizzarmi sulla parte che più m'interessa:

      "la barriera è un potenziale elettrostatico: è data dalla forza di attrazione nucleo-elettrone (ovvero positivo/negativo), quindi l'elettrone è vincolato perché sente l'influenza magnetica del nucleo a rimanere nella sua zona. Ma quando "si ricorda" di essere un'onda, questo vincolo cessa di esistere e allora può superare la barriera, pur rimanendo legato al nucleo".

      Quindi se sparo un elettrone su un muro questo non verrà attraversato a causa della barriera elettrostatica, ma essendo l'elettrone anche un'onda, non risente più degli effetti elettrostatici e allora...eh beh...e allora? Cosa succede? L'onda passa liberamente o viene smorzata e cambia frequenza? Che lunghezza d'onda ha l'onda di un elettrone? In sostanza, quello che sto cercando di capire è questo: le onde di un elettrone che caratteristiche hanno? Come si comportato quando incontrano un potenziale elettrostatico e che caratteristiche hanno rispetto ad esempio alle onde gamma, le onde radio e i raggi X? Inoltre, qualcosa deve pur succedere all'onda che attraversa il potenziale elettrostatico, altrimenti la probabilità di trovare l'elettrone da una parte o all'altra della barriera è praticamente la stessa. Non credi?

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    3. C'è una fondamentale differenza tra gli elettroni e i fotoni delle onde elettromagnetiche (onde radio, raggi X, gamma...). Gli elettroni hanno una massa, mentre i fotoni sono particelle prive di massa (oltre che di carica).
      Per alcuni fenomeni le particelle manifestano un comportamento corpuscolare (esempio l'effetto fotoelettrico), mentre per altri ondulatorio (per esempio la diffrazione): è un po' come dire che "a seconda del contesto" la particella può comportarsi in un modo o nell'altro.
      Se spari un elettrone contro un muro, questo si comporta come un corpuscolo: l'impatto dato dall'energia cinetica provoca un buco (è una tecnica che si chiama sputtering: serve a mettere in evidenza strati inferiori di un materiale per poterli studiare "geologicamente" senza rovinare troppo il materiale).
      Se invece invii un'onda EM l'impatto, non avendo i fotoni una massa, non è consistente: i fotoni si comportano preferenzialmente come onde e daranno luogo ad altri fenomeni (quali dipende dalla frequenza della radiazione EM).
      Quello che hai detto "l'onda viene smorzata e cambia frequenza" è esatto: l'onda trasferisce parte della sua energia agli atomi (a quale parte dell'atomo dipende dal tipo di onda), dando luogo ai fenomeni a cui accennavo.

      Provo, per quanto riesco, a rispondere alle tue ultime domande. Credo di aver capito cosa intendi.
      La barriera non è una barriera fisica, ma di potenziale. Non c'è un "dall'altra parte" in senso spaziale. In questo si è sviati dai disegni e dalle similitudini che ho fatto nel post, che servivano per capire, per avere qualcosa di facile da visualizzare. Non è che l'elettrone si trovi oltre l'atomo: nel suo essere onda, il vincolo che lo tiene ancorato al nucleo è come se non ci fosse più, pur continuando a essere (altrimenti l'elettrone se ne andrebbe per conto proprio).
      Non è semplice da visualizzare, lo so, provo a spiegarlo in questo modo: l'elettrone (negativo) è legato al nucleo (positivo) muovendosi all'interno di una "zona d'influenza" dovuta al vincolo dato dal potenziale elettrostatico attrattivo tra i due. Ma l'elettrone ha anche proprietà ondulatorie, quindi pur rimanendo legato può manifestare comportamento ondulatorio, coi fenomeni associati a questa natura.
      Questo fenomeno lo hai nel momento in cui utilizzi il microscopio a effetto tunnel. Se ricordo bene come è fatto (sono passati più di dieci anni...) c'è una punta su cui è posta una tensione, utilizzata per mappare superficialmente il campione. Le funzioni d'onda date dall'equazione di Schrodinger dell'atomo sul campione e quello della punta si sovrappongono: quando si applica una tensione l'elettrone può superare la barriera di potenziale, saltando effettivamente negli stati energetici del campione (dato che le funzioni d'onda di punta e campione sono sovrapposti), il che permette di ottenere una serie di informazioni sulla superficie del campione.
      Spero di essere riuscito a risponderti!

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    4. Ti ringrazio per le risposte ben articolate, ma ho la sensazione che ci riferiamo ad esempi diversi.
      Tu descrivi il caso portando come esempio il potenziale elettrostatico tra elettrone e nucleo, io invece mi sono fossilizzato sulla primissima immagine in cui si vede il diverso comportamento di una particella e un'onda quando incontrano una barriera FISICA. E in questa immagine si vede chiaramente che la particella viene sempre riflessa, mentre l'onda viene in parte riflessa e in parte trasmessa. Ed essendo l'elettrone una particella che ha anche proprietà ondulatorie, l'esempio ci dice sostanzialmente che l'elettrone può attraversare la barriera quando si comporta da onda. Ecco, io volevo semplicemente capire perchè se la particella si comporta da onda riesce a superare la barriera fisica (prima immagine). E siccome la possibilità di un elettrone di superare la barriera dipende da un calcolo probabilistico (ampiezza dell'onda), volevo capire se l'onda trasmessa ha caratteristiche fisiche diverse da quella incidente e riflessa (sempre osservando la prima immagine), e se la diversità dell'onda trasmessa è una proprietà legata a tutti i tipi di onde che interagiscono con una barriera fisica.


      Perdonami se insito, ma sono sempre stato attratto da questi argomenti, pur non essendo della materia, ;)

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    5. OK, finalmente ho capito!
      Ti stai sbagliando, perché nella figura la barriera è di potenziale, non fisica: non è il caso che ti interessa, ma te lo spiego ugualmente. La prima parte della figura mostra che secondo la fisica CLASSICA la particella non può attraversare la barriera, mentre in fisica QUANTISTICA si verifica l'effetto tunnel (parte attraversa, parte rimane... è quel che dicevo sul fatto che il vincolo viene superato ma permane).

      Veniamo invece a quello che interessa a te, ovvero un barriera FISICA. Sostanzialmente ti ho già risposto, comunque un elettrone non attraversa il muro, a meno che sia uno strato veramente sottile: immaginalo come un proiettile, può rimbalzare indietro, può penetrare all'interno, al limite se il muro è proprio sottile e di un materiale adatto riesce a passare dall'altra parte.
      Quello che capita a un'onda EM è definito dalla natura dell'onda stessa (dalla sua energia) e dal materiale del muro. In generale: una parte dell'onda viene assorbita dal materiale e poi da questo riemessa, un parte viene riflessa.

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    6. Riprendo questa tua affermazione:
      "in fisica QUANTISTICA si verifica l'effetto tunnel (parte attraversa, parte rimane... è quel che dicevo sul fatto che il vincolo viene superato ma permane)".

      Questo però non avviene con l'emissione delle particella alfa, in cui il vincolo viene superato e la particella viene concretamente espulsa...a differenza dell'elettrone che invece resta legato al nucleo, no?

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    7. Lì è una questione diversa, perché nel decadimento alfa una parte della massa nucleare diventa energia, e quindi poi parte di quell'energia permette l'espulsione della particella alfa.

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    8. Non sono d'accordo. Da più fonti, tra cui anche Wikipedia, leggo:
      "l'effetto tunnel venne utilizzato per la prima volta nel 1928 dal fisico ucraino George Gamow per spiegare il decadimento alfa, nel quale una particella alfa (un nucleo di elio) viene emessa da un nucleo perché riesce a superarne la barriera di potenziale".

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    9. Onestamente questo aspetto lo ignoravo, ma in effetti a pensarci bene è coerente con quanto dicevo.
      Nel microscopio a effetto tunnel viene fornita tensione (quindi energia elettrica) per fare in modo che l'elettrone popoli i livelli energetici del campione dopo che le funzioni d'onda di punta e campione si sono sovrapposte.
      Il decadimento alfa potrebbe venire visto in maniera analoga: l'effetto tunnel spiega come la particella riesce a superare la barriera data dall'interazione nucleare forte (che tiene assieme il nucleo), ma l'energia prodotta dalla perdita di massa fa si che la particella salti dalla funzione d'onda nucleare direttamente al continuo e quindi a fuoriuscire dall'atomo.
      Di più proprio non so, ho una laurea in chimica e non in fisica, e l'effetto tunnel a lezione ci era stato spiegato in 15 minuti. :)

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    10. Ma figurati, in ogni caso ne sai sicuramente più di me. Io sono laureato in biologia, quindi...questi argomenti cerco di capirli da autodidatta, non li ho mai trattati a livello accademico. Mi ha fatto piacere dare il mio contributo, se cosi si può dire, alla discussione. Una cosa è certa: non c'è nulla di più "folle" della Meccanica Quantistica ;)

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    11. Scherzi? E' stato interessantissimo! E ti ringrazio, mi ha fatto piacere far rivivere un po' quest'articolo di un anno fa.
      Sì, è un mondo pazzesco quello quantistico! :)

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