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:
  1. Descrever o fenômeno do tunelamento quântico;
  2. Explicar como ele é crucial para entender processos de fissão e fusão nuclear;
  3. 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 E é menor que a altura V_{0} da barreira.
Qualitativamente, a função de onda \psi(x) decai exponencialmente dentro da barreira, mas não se anula totalmente.
Em regime semiclassico (WKB), a probabilidade de transmissão é aproximadamente
T \approx \exp\Bigl(-2\int_{x_{1}}^{x_{2}}\sqrt{\frac{2\,m\bigl(V(x)-E\bigr)}{\hbar^{2}}}\,dx\Bigr),
onde x_{1} e x_{2} delimitam a região onde V(x)>E.

Passo 3

Em fissão nuclear espontânea e no decaimento alfa, núcleos emissores de partículas alfa (núcleos de ^4He) permitem que essas partículas “tunelam” pela barreira de Coulomb do núcleo pai, mesmo com E_{\alpha} abaixo do pico de potencial. Sem o tunelamento, não haveria decaimento alfa.
Na fusão nuclear (p. ex. \text{D}+\text{T}\to\alpha+n), 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.

Passo 4

O microscópio de tunelamento quântico (STM) aproveita o mesmo princípio: uma ponta metálica muito afiada, posicionada a uma distância d de uma superfície condutora, estabelece uma corrente de tunelamento
I \propto V\,\exp\bigl(-2\kappa\,d\bigr), \quad \kappa = \sqrt{\frac{2\,m\,\Phi}{\hbar^{2}}},
onde \Phi é a barreira de trabalho. Variações de I 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.

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