Effetto Tunnel

From: Elio Fabri <mc8827_at_mclink.it>
Date: 1998/05/28

Redhawk wrote:
>
> Dunque io so che la fisica quantistica si basa ...
Prima di tutto: per favore la prossima volta evita di usare le lettere
accentate. Mi hai fatto diventare un po' matto per decifrare quello che
hai scritto...

Tu fai un sacco di domande, e non so (senza accento :-) ) se ti rendi
conto che per risponderti ci vorrebbe ben altro che un ragionevole post
come questo.
A te e a tutti quelli che fanno domande come le tue, mi viene sempre da
rispondere: studia seriamente fisica, e al quarto anno di universita'
comincerai (dico comincerai) a capire come stanno le cose...
Non lo dico per evadere le domande, ma perche' e' necessario rendersi
conto che a problemi cosi' complessi non si possono dare risposte
semplici e sbrigative.
Comunque, vedro' quello che posso fare ;-).

Dicevi dunque:
> io so che la fisica quantistica si basa su una sorta di
> principio probabilistico, reso necessario dall'impossibilita'
> di determinare con precisione posizione e velocita' di una
> particella (Principio di indeterminazione).
Ora io questo non lo direi. So bene da dove viene: quasi tutti i testi
di fisica e i libri di divulgazione diffondono questa visione distorta e
parziale della m.q.
E' vero che una particella (ma anche un atomo, una molecola, un granello
di sabbia o un pianeta, per quanto ne sappiamo) non possono avere
*simultaneamente* posizione e velocita' esattamente determinate; ma
questo e' un fatto del tutto indipendente dal cosiddetto indeterminismo
della m.q.; se mai e' conseguenza delle proprieta' ondulatorie sempre
associate a qualsiasi oggetto.

> Ora questo concetto dell'effetto tunnel mi e' sempre sembrata
> una sorta di scappatoia che la fisica ha trovato per spiegare
> questi fenomeni altrimenti inspiegabili. Mi riesce quindi
> molto difficile credere che trovi conferme pratiche o
> addirittura impieghi pratici come il Microscopio ad effetto
> tunnel (a proposito qualcuno sa come funziona?)!
A me sembra anzitutto che ti contraddici un po'.
Se non ci fossero conferme o applicazioni dell'effetto tunnel, perche'
lo si sarebbe dovuto inventare "per spiegare fenomeni altrimenti
inspiegabili"?
Vuol dire che questi fenomeni esistono, non ti pare?

Posso cercare di spiegarti come funziona il microscopio a effetto
tunnel, ma non so se riusciro' comprensibile.
C'e' una superficie di cui vuoi esplorare la struttura, e disponi di un
ago sottilissimo, che puoi portare molto vicino alla superficie.
Ago e superficie sono conduttori (metallici).
Sebbene ago e superficie non si tocchino (del resto che cosa vuol dire
"toccarsi" alla scala atomica?) degli elettroni possono passare dall'uno
all'altra, appunto per effetto tunnel. Il numero degli elettroni che
passano per unita' di tempo, a parita' di altre condizioni, dipende
moltissimo (esponenzialmente) dalla distanza.
Con un controllo automatico si fa in modo che la corrente che passa
resti costante, il che garantisce che e' costante la distanza. Nel
frattempo l'ago esplora la superficie, e per mantenere costante la
distanza esso deve essere avanzato o arretrato seguendo le
accidentalita' di quella. Il sistema e' cosi' sensibile che le
"accidentalita'" misurabili sono i
singoli atomi.

> Quindi l'effetto tunnel e' reale? O e' solo un modo per
> conciliare relativita' e fisica quantistica?
La relativita' non c'entra niente con l'effetto tunnel, anche se ho idea
di che cosa ti abbia suggerito una relazione: la radiazione di Hawking
dai buchi neri, suppongo. Ma l'effetto tunnel si vede in situazioni
molto piu' ... terrestri.

> Ha solide basi teoriche ed e' dimostrato?
Non si capisce bene il tuo pensiero. Se tutta la m.q. ti pare una
costruzione arbitraria e artificiosa (v. dopo) come posso risponderti
che l'effetto tunnel e' una necessaria conseguenza della m.q.? Ma cosi'
e'. In questo senso ha solidissime basi teoriche.

> Infine ha impieghi pratici?
Il microscopio e' uno. Un altro che mi viene in mente sono i "diodi
tunnel": dei dispositivi a stato solido usati ad es. come oscillatori
per alte frequenze.

Un altro fenomeno che si spiega solo con l'effetto tunnel e' la
radioattivita' alfa. Un nucleo non potrebbe emettere una particella
alfa, per le ragioni di conservazione di energia che tu hai detto, senza
l'effetto tunnel. Infatti la carica positiva del nucleo e quella pure
positiva della particella formano una "barriera di potenziale" molto
piu' alta dell'energia disponibile alla particella.
Invece le particelle alfa escono...
Una prova indiretta (la prova migliore sta nel fare i calcoli e vedere
che tornano) che si tratta di un effetto quantistico e' che la vita
media degli emettitori alfa e' di solito molto lunga, il che vuol dire
che l'emissione e' rara: l'effetto e' possibile, ma altamente
improbabile.

> Se si' allora come si spiega fisicamente quest'energia che
> d'improvviso viene "regalata" alla particella?
Non c'e' nessuna energia regalata. La cosa e' ancora piu' indigesta, per
chi ragiona secondo la fisica classica. Nell'attraversare la barriera,
l'energia cinetica della particella e' negativa!
Se ti sembra assurdo parlare di en. cin. negativa, me la cavo cosi': en.
cin. negativa significa velocita' (o meglio q. di moto) immaginaria. la
relazione di de Broglie, che sicuramente conosci, lega q. di moto e
lunghezza d'onda: quindi occorre capire che cos'e' una lungh. d'onda
immaginaria.
Qui purtroppo occorrerebbe un po' di familiarita' coi numeri complessi,
per cui do solo il risultato: l. d'onda immaginaria significa un'onda
che invece di variare sinusoidalmente nello spazio, decresce
esponenzialmente.
Riassumendo: internamente alla barriera la f. d'onda della particella
cade esponenzialmente: e' per questo che fuori ha valori molto piccoli,
da cui una piccola prob. di emissione.

Nota che queste onde con l. d'onda immaginaria non sono un'invenzione
della m.q.: esistono anche nell'ottica ondulatoria e
nell'elettromagnetismo classico, dove si chiamano "onde evanescenti" e
sono verificabili con mezzi relativamente semplici.

> Un po' come tutta la fisica quantistica sembra una
> semplificazione dell'universo nella quale ci si accontenta
> della probabilita' senza cercare l'esattezza...
Io non so che cosa sai esttamente di m.q., ma ho l'impressione che tu
tenda a essere un po' affrettato nei giudizi. Forse dovresti pensare che
probabilmente cio' che tu sai e' una parte molto piccola di quanto sanno
quelli che si occupano per mestiere di queste cose. Quindi dovresti
almeno sospendere il giudizio, in attesa di avere maggiori conoscenze...
Dopo la tirata d'orecchie :-) che ti do in tutta amicizia, aggiungo
quanto segue.
Se la m.q. consistesse solo di enunciati vaghi e imprecisi, circa cose
che forse accadono e forse no, con previsioni solo approssimativamente
verificabili, ecc. ecc., potresti anche avere ragione; ma le cose non
stanno cosi'.
Tieni ad es. presente che e' solo la m.q. che permette di capire le basi
della chimica: tutti i legani chimici sono comprensibili solo in senso
quantistico.
Ne segue che la m.q. sta anche alla base della biologia molecolare, ecc.
Il computer che sto usando in questo momento non esisterebbe se la m.q.
non avesse permesso di capire a fondo le proprieta' dello stato solido,
e quindi di inventare i transistor, poi i circuiti integrati.
Il funzionamento delle stelle e' comprensibile solo in base alla m.q.;
in particolare questo e' vero per le nane bianche, che stanno su grazie
alla pressione del gas di Fermi degenere formato dagli elettroni: un
effetto tipicamente quantistico.

Potrei continuare, ma penso di aver scritto abbastanza; spero di averti
dato materia per riflettere...
-------------------
Elio Fabri
Dip. di Fisica
Universita' di Pisa
Received on Thu May 28 1998 - 00:00:00 CEST