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FISICA DELLA COSCIENZA
MQ 10. «Effetto Tunnel»

Una delle proprietà più straordinarie dei quanti è rappresentata dal cosiddetto "Effetto Tunnel". Nella meccanica classica è intuitivo che una particella non possa superare un ostacolo se non ha l'energia necessaria per farlo. Ad es. se una palla non ha la forza di risalire il crinale di una collina fino alla sua cima, non potrà mai rotolare in discesa lungo il crinale opposto. Se un proiettile non ha la forza di bucare una parete, non potrà mai essere trovato al di là di quella parete.

Nel mondo quantistico una particella possiede una funzione d'onda che prevede una probabilità, piccola ma concreta, di attraversare spontaneamente una barriera più alta dell'energia posseduta dalla particella stessa.
In sostanza un elettrone collocato in una scatola chiusa, può trovarsi, ad un certo punto, fuori dalla scatola stessa, in modo del tutto spontaneo.



Comportamenti differenti in meccanica classica e meccanica quantistica!



L'effetto tunnel è una conseguenza diretta del principio di indeterminazione di Heisenberg: se una particella è confinata in uno spazio molto stretto e quindi l'incertezza sulla sua posizione (Δp) è molto piccola, l'incertezza della sua quantità di moto (Δx), in pratica la sua velocità, è molto grande ed è possibile che riesca a superare la barriera. Allo stesso risultato arriviamo anche se si prende in considerazione l'indeterminazione energia/tempo: in un intervallo di tempo molto breve (Δt), la fluttuazione energetica della particella (ΔE) può raggiungere livelli tali da permetterle di fuoriuscire.



    
Animazione tratta da http://it.wikipedia.org/wiki/Effetto_tunnel
Le onde rappresentano la densità di probabilità di trovare l'elettrone.


  
Questo effetto, impossibile per la fisica classica, non solo è stato ampiamente dimostrato in laboratorio, ma permette il funzionamento dei diodi tunnel, del microscopio a effetto tunnel (STM) e delle memorie flash per computer ed è addirittura responsabile dell'irradiazione del sole e delle stelle.

Le reazioni all'origine dell'emanazione dell'energia stellare sono dette di fusione nucleare ed avvengono quando due nuclei (ad es. di idrogeno o di elio) sono sufficientemente vicini da far prevalere l'interazione nucleare forte sulla forza di repulsione elettromagnetica (essendo carichi positivamente, i nuclei tendono a respingersi tra loro). A quel punto sono in grado di fondersi per creare un elemento più pesante e, al tempo stesso, liberare un elevatissimo quantitativo di energia.

Image

Nel Sole, ogni secondo, ben 4 milioni di tonnellate di idrogeno
vengono trasformati in energia grazie ai processi di fusione!



Le temperature presenti all'interno delle stelle non sarebbero in grado di avviare un tale processo, ma grazie all'effetto tunnel questa barriera di potenziale viene superata e la reazione a catena è innescata.

L'effetto tunnel rende ragione anche della radioattività di tipo alfa: le forze nucleari di un atomo non permettono ai neutroni e ai protoni di allontanarsi da esso, ciò nonostante negli elementi chimici pesanti ed instabili (quali il Radio e l'Uranio) grazie all'effetto tunnel una particella alfa (2 protoni + 2 neutroni, in pratica un nucleo di elio) può lasciarsi alle spalle le barriere di potenziale dell'attrazione nucleare. E' in questo modo che l'uranio diventa radioattivo e si trasforma in piombo. Questa spiegazione è stata formulata nel 1928 dal fisico ucraino George Gamow.




Emissione di un nucleo di Elio-4 (particella Alfa) da un atomo radioattivo!



Ricapitolando...

Nell'ambito della meccanica quantistica esistono proprietà ed effetti del tutto impossibili per la fisica classica. L'Effetto Tunnel è la capacità che possiedono le particelle quantistiche di attraversare una barriera di potenziale più alta dell'energia che avrebbero a disposizione!

 


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