Descreva o fenômeno do tunelamento quântico. Fale um pouco sobre a sua importância na explicação do fenômeno da fissão e da fusão nuclear. Além disso, comente sobre a importância tecnológica deste fenômeno por meio da criação de uma linha de pesquisa experimental conhecida como microscopia de tunelamento quântico.
Passo 1
O enunciado pede três coisas:
- Descrever o fenômeno do tunelamento quântico;
- Explicar como ele é crucial para entender processos de fissão e fusão nuclear;
- Comentar a relevância tecnológica desse efeito na construção de microscópios de tunelamento quântico (STM).
Passo 2
O tunelamento quântico surge porque, em mecânica quântica, partículas têm comportamento de onda e podem atravessar barreiras de potencial mesmo quando a energia
é menor que a altura
da barreira.
Qualitativamente, a função de onda decai exponencialmente dentro da barreira, mas não se anula totalmente.
Em regime semiclassico (WKB), a probabilidade de transmissão é aproximadamente
Qualitativamente, a função de onda
Em regime semiclassico (WKB), a probabilidade de transmissão é aproximadamente
onde
e
delimitam a região onde
.
Passo 3
Em fissão nuclear espontânea e no decaimento alfa, núcleos emissores de partículas alfa (núcleos de
He) permitem que essas partículas “tunelam” pela barreira de Coulomb do núcleo pai, mesmo com
abaixo do pico de potencial. Sem o tunelamento, não haveria decaimento alfa.
Na fusão nuclear (p. ex. ), deve-se vencer a repulsão coulombiana entre núcleos carregados. Em altas temperaturas, parte do “tail” da distribuição de Maxwell–Boltzmann permite que núcleos se aproxime o suficiente para tunelar pela barreira e fundir-se.
Na fusão nuclear (p. ex.
Passo 4
O microscópio de tunelamento quântico (STM) aproveita o mesmo princípio: uma ponta metálica muito afiada, posicionada a uma distância
de uma superfície condutora, estabelece uma corrente de tunelamento
onde
é a barreira de trabalho. Variações de
ao escanear a ponta permitem mapear a topografia e densidade eletrônica atômica da amostra com resolução subnanométrica.
Resposta
O tunelamento quântico é o fenômeno pelo qual partículas ultrapassam barreiras de potencial mais altas que sua energia devido à sua natureza ondulatória. Ele explica o decaimento alfa e a fusão nuclear em altas temperaturas, pois permite que núcleos superem a barreira de Coulomb sem energia clássica suficiente. Tecnologicamente, esse efeito viabilizou o microscópio de tunelamento quântico, uma ferramenta essencial para investigar a superfície de materiais com resolução atômica.