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.

13 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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