31.7: Ufungashaji

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza na kujadili tunneling.
• Kufafanua uwezo kizuizi.
• Eleza tunneling quantum.

Protoni na nyutroni zimefungwa ndani ya viini, hiyo inamaanisha nishati lazima itolewe ili kuzivunja mbali. Hali ni sawa na marumaru katika bakuli ambayo inaweza kuzunguka lakini inakosa nishati ya kupata juu ya mdomo. Imefungwa ndani ya bakuli (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Kama jiwe inaweza kupata juu ya mdomo, ingekuwa kupata nishati kinetic kwa rolling chini nje. Hata hivyo, kwa kawaida, kama marumaru haina nishati ya kutosha ya kinetic ili kupata juu ya mdomo, inabakia milele imefungwa vizuri.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Marumaru katika bakuli hii ya semicircular juu ya volkano ina nishati ya kutosha ya kinetic kufikia urefu wa mstari uliopigwa, lakini haitoshi kupata juu ya mdomo, ili iingie milele. Kama inaweza kupata handaki kwa njia ya kizuizi, ingekuwa kutoroka, roll kuteremka, na kupata nishati kinetic.

Katika kiini, uwezo wa nyuklia unaovutia unafanana na bakuli juu ya volkano (ambapo “volkano” inahusu sura tu). Protoni na nyutroni zina nishati ya kinetic, lakini ni juu ya 8 MeV chini ya ile inayohitajika kutoka nje (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Hiyo ni, wao wamefungwa na wastani wa 8 MeV kwa nucleon. Mteremko wa kilima nje ya bakuli ni sawa na uwezo wa kukataa wa Coulomb kwa kiini, kama vile\(\alpha\) chembe nje ya kiini chanya. Katika\(\alpha\) kuoza, protoni mbili na nyutroni mbili huvunja kwa hiari kama\(^4He\) kitengo. Hata hivyo protoni na nyutroni hazina nishati ya kutosha ya kinetic kupata juu ya mdomo. Hivyo ni jinsi gani\(\alpha\) chembe hutoka?

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Nucleons ndani ya kiini atomiki ni amefungwa au trapped na nguvu ya kuvutia nyuklia, kama inavyoonekana katika hii rahisi uwezo Curve nishati. \(\alpha\)Chembe nje ya aina mbalimbali ya nguvu za nyuklia anahisi nguvu ya Coulomb yenye kuchukiza. \(\alpha\)Chembe ndani ya kiini haina nishati ya kutosha ya kinetic kupata juu ya mdomo, lakini haina kusimamia kutoka nje kwa quantum mitambo tunneling.

Jibu lilitolewa mwaka 1928 na mwanafizikia Kirusi George Gamow (1904—1968). \(\alpha\)Chembe huchuja kupitia kanda ya nafasi ni marufuku kuwa ndani, na inatoka upande wa kiini. Kama elektroni inayofanya mpito kati ya mizunguko kuzunguka atomu, inasafiri kutoka hatua moja hadi nyingine bila ya kuwa katikati. Kielelezo\(\PageIndex{3}\) kinaonyesha jinsi hii inavyofanya kazi. Kazi ya wimbi ya chembe ya mitambo ya quantum inatofautiana vizuri, ikitoka ndani ya kiini cha atomiki (upande mmoja wa kizuizi cha nishati inayoweza) kwenda nje ya kiini (upande mwingine wa kizuizi cha nishati). Ndani ya kizuizi, kazi ya wimbi haina kuwa sifuri lakini inapungua kwa kiasi kikubwa, na hatuzingatii chembe ndani ya kizuizi. Uwezekano wa kupata chembe unahusiana na mraba wa kazi yake ya wimbi, na hivyo kuna uwezekano mdogo wa kupata chembe nje ya kizuizi, ambayo inamaanisha kuwa chembe inaweza kushika kupitia kizuizi. Utaratibu huu unaitwa kupenya kwa kizuizi au tunneling ya mitambo ya quantum. Dhana hii ilianzishwa kwa nadharia na J. Robert Oppenheimer (aliyeongoza maendeleo ya mabomu ya nyuklia ya kwanza wakati wa Vita Kuu ya II) na ilitumiwa na Gamow na wengine kuelezea\(\alpha\) kuoza.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Kazi ya wimbi inayowakilisha chembe ya mitambo ya quantum inapaswa kutofautiana vizuri, kutoka ndani ya kiini (upande wa kushoto wa kizuizi) kwenda nje ya kiini (kwa haki ya kizuizi). Ndani ya kizuizi, kazi ya wimbi haina ghafla kuwa sifuri; badala yake, inapungua kwa kiasi kikubwa. Nje ya kizuizi, kazi ya wimbi ni ndogo lakini ya mwisho, na huko inakuwa vizuri sinusoidal. Kutokana na ukweli kwamba kuna uwezekano mdogo wa kupata chembe nje ya kizuizi, chembe inaweza kuzunguka kupitia kizuizi.

Mawazo mazuri yanaelezea zaidi ya jambo moja. Mbali na kufafanua kimaelezo jinsi nucleons nne katika\(\alpha\) chembe zinaweza kutoka nje ya kiini, nadharia ya kina pia inaelezea kwa kiasi nusumaisha ya nuclei mbalimbali ambazo hupata\(\alpha\) kuoza. Maelezo haya ni nini Gamow na wengine walipanga, na inafanya kazi kwa ajili ya\(\alpha\) kuoza nusu ya maisha ambayo hutofautiana na amri 17 za ukubwa. Majaribio yameonyesha kuwa juhudi zaidi\(\alpha\) kuoza kwa nuclide fulani ni, mfupi ni nusu ya maisha yake. Tunneling inaelezea hili kwa njia ifuatayo: Kwa kuoza kuwa na nguvu zaidi, nucleons lazima iwe na nishati zaidi katika kiini na inapaswa kuwa na uwezo wa kupaa karibu kidogo na mdomo. Kwa hiyo kizuizi si kama nene kwa kuoza kwa juhudi zaidi, na kupungua kwa kielelezo kwa kazi ya wimbi ndani ya kizuizi sio kubwa. Hivyo uwezekano wa kupata chembe nje ya kizuizi ni mkubwa zaidi, na nusu ya maisha ni mfupi.

Kupiga kelele kama athari pia hutokea katika mifumo ya mitambo ya quantum isipokuwa nuclei. Electroni zilizogawiwa katika yabisi zinaweza kushona kutoka kitu kimoja hadi kingine ikiwa kizuizi kati ya vitu ni nyembamba ya kutosha. Mchakato huo ni sawa na kanuni kama ilivyoelezwa kwa\(\alpha\) kuoza. Ni uwezekano mkubwa zaidi kwa kizuizi nyembamba kuliko nene. Skanning microscopes elektroni kazi juu ya kanuni hii. Sasa ya elektroni ambayo husafiri kati ya uchunguzi na sampuli vichuguu kupitia kizuizi na ni nyeti sana kwa unene wake, kuruhusu kugundua atomi ya mtu binafsi kama inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{4a}\).

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): (a) microscope ya elektroni ya skanning inaweza kuchunguza tofauti ndogo sana katika vipimo, kama vile atomi za mtu binafsi. Electroni handaki quantum mechanically kati ya uchunguzi na sampuli. Uwezekano wa tunneling ni nyeti sana kwa unene wa kizuizi, ili sasa elektroni ni kiashiria nyeti cha vipengele vya uso. (b) Mkuu na moutparts ya Coleoptera Chrysomelidea kama inavyoonekana kupitia darubini elektroni (mikopo: Louisa Howard, Dartmouth College)

PHET EXPLORATIONS: QUANTUM TUNNELING NA PAKITI WIMBI

Tazama quantum “chembe” handaki kupitia vikwazo. Kuchunguza mali ya kazi wimbi kwamba kuelezea chembe hizi.

Muhtasari

• Tunneling ni mchakato wa mitambo ya quantum ya kupenya kwa kizuizi cha nishati. Dhana ilitumika kwanza ili kuelezea\(\alpha\) kuoza, lakini tunneling inapatikana kutokea katika mifumo mingine ya mitambo ya quantum.

faharasa

kupenya kizuizi

quantum mitambo athari ambapo chembe ina uwezekano nonzero kuvuka kupitia uwezo wa nishati kizuizi licha ya kutokuwa na nishati ya kutosha kupita juu ya kizuizi; pia hujulikana quantum mitambo tunneling

quantum mitambo tunneling

quantum mitambo athari ambapo chembe ina uwezekano nonzero kuvuka kupitia uwezo wa nishati kizuizi licha ya kutokuwa na nishati ya kutosha kupita juu ya kizuizi; pia hujulikana kizuizi kupenya

kupiga kwa handaki

quantum mitambo mchakato wa kupenya uwezo wa nishati kizuizi