El efecto túnel


Se puede decir que hoy escribimos sobre el efecto túnel por aclamación popular.

Ayer unos lectores del blog preguntaron acerca del famoso efecto túnel en cuántica. Y bueno, como cualquier sitio que depende de sus lectores… aquí va la entrada sobre la explicación de dicho efecto.

O tienes suficiente energía o no la tienes

En nuestra vida cotidiana nos enfrentamos ante situaciones en las que nos enfrentamos a la cruda realidad de que hay barreras energéticas que no podemos superar.  Si yo intento pasar de un lado a otro de un edificio saltándolo muy posiblemente no lo consiga.

En física representamos a los sistemas y sus estados energéticos con gráficas de energía potencial. En dichas gráficas representamos el sistema y su energía, y la energía que necesita para realizar algún fenómeno. Veamos la siguiente figura:

En esta gráfica tenemos:

  1. Las partículas se mueven en el eje X. Una partícula se podría mover hacia la derecha o hacia la izquierda.
  2. En el eje vertical representamos la energía a la que esta partícula está sometida en su movimiento que tiene la forma de una energía potencial V(x).
  3. Vemos como en la mayor parte del eje X la energía potencial es 0, pero hay un determinado intervalo en el que toma un valor Vo. Eso es una barrera de potencial.

Si tenemos una partícula cuya energía (cinética) es mayor que el Vo entonces se podrá mover sin problema en todo el eje X.

Si por el contrario, la partícula tiene una energía menor que V0 pues estará condenada a rebotar contra la barrera de potencial cuando se encuentre con ella. Si nuestra partícula tiene una energía Eo menor que V0 y está en la parte izquierda de la barrera, tendríamos esta situación:

La cuántica al rescate

La cuántica nos dice un par de cosas interesantes para este tema:

  1. Las partículas cuánticas están descritas por una función de onda \psi.
  2. A un nivel pedestre podemos considerar que la partícula se describe como una onda durante su evolución.
  3. La función de onda \psi contiene la información acerca de la probabilidad que tiene la partícula de ser encontrada en una posición determinada. Eso está contenido en el cuadrado de la función de donda, |\psi(x)|^2 = Probabilidad de encontrar a la partícula en una posición x.

Cuando describimos el una partícula cuántica que se encuentra con una barrera de potencial y resolvemos el problema encontramos que aunque dicha partícula no tenga la energía suficiente como para “saltar” la barrera hay una pequeña probabilidad de que pase al otro lado.

El secreto está en que cuando la partícula descrita por la función de onda se encuentra con la barrera de potencial, la función de onda inicial se parte en dos contribuciones: Parte reflejada + Parte transmitida.

Y si hacemos un estudio de la solución a este problema encontramos que la transmisión tiene este perfil:

Aquí es importante notar lo siguiente:

  1. La partícula descrita por la función de onda \psi tiene una energía menor que la barrera de potencial. Pero es capaz de transmitirse por la barrera.
  2. En la transmisión vemos como la amplitud de la onda disminuye y que la parte transmitida tiene una amplitud menor. La amplitud está relacionada con el cuadrado de la función de onda. Y eso es la probabilidad de encontrar la partícula en una determinada posición. Por lo tanto, como se ve en la figura, la probabilidad de encontrar a la partícula que ha superado la barrera es muy pequeña.

¿De qué factores dependerá que el efecto túnel sea más o menos eficiente?

Parece evidente que la anchura de la barrera es muy importante, a mayor anchura más tiempo para decrecer en amplitud la onda transmitida y menor probabilidad de estar al otro lado.

Otra característica menos evidente pero igual de fundamental es  la masa de la partícula que estemos describiendo.  A mayor masa menor probabilidad de traspasar la barrera.

Esas son dos magnífica razones para que podamos decir que nunca viviremos una experiencia de efecto túnel. Primero porque somos grandes y con mucha masa y segundo porque las barreras de potencial a las que nos enfrentamos suelen ser grandes y anchas. Vamos que es mejor dar la vuelta, que esperar atravesar una pared.

Los usos

Pues por efecto túnel me salen muchas cosas,  es un importante ingrediente en los mecanismo de reacción químicos (algunos de ellos). También hacemos microscópios, y es muy relevante en muchos procesos industriales y tecnológicos. Todo esto se puede encontrar por google.

A mí, el efecto mas impresionante que se le puede asignar al efecto túnel y que ha cambiado el estilo de vida de nuestras familias. Estoy convencido de que todos lo hemos vivido. A todos se nos ha roto un cable, lo hemos pelado y lo hemos empalmado con otro cable nuevo.

Al ejecutar tal procedimiento hemos de pensar que el cobre se oxida muy fácilmente y que el oxido de cobre es un aislante eléctrico de primera categoría. Así que cuando enrollamos hilos de cobre de los cables entre si estamos poniendo en contacto dos superficies aislantes. Los electrones lo tienen chungo para saltar de un cable a otro en el empalme. Y sin embargo, conduce. Los electrones saltan la barrera de oxido (que es una barrera de pontencial para ellos) por efecto túnel.  Sí, ese es mi efecto favorito en relación con el efecto túnel. Siempre he sido de gustos simples.

Espero que os haya aclarado un poco el tema.

Nos seguimo leyendo…

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25 Respuestas a “El efecto túnel

  1. Pingback: Efecto túnel cuántico - Fisicotrónica

  2. Otra característica menos evidente pero igual de fundamental es  la masa de la partícula que estemos describiendo.  A mayor masa menor probabilidad de traspasar la barrera. « {humano = particula}( cosmos = finito ) entiendes

  3. Algo que no entiendo es que nosotros somos una particula en un universo finito podemos viajar y traspasar ciertas barreras como un túnel cuantico sí somos una micro molecula comparada al cosmos ???!”

    • Es que la cosa no es cuestión de tamaños sino de energías. La escala en la que los fenómenos cuánticos se dan la marca la constante de Planck y tenemos que entender grande o pequeño en este contexto en referencia a esa escala. Y nosotros somos muy muy grandes respecto a ella.

  4. Es la mejor descripcion que he podido leer

  5. Pingback: Las chorradas de la medicina cuántica | Cuentos Cuánticos

  6. Pingback: El bosón de Higgs, de la partícula de Dios al engendro de Satanas | Cuentos Cuánticos

  7. PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE
    Físicas irreconciliables: cuántico y cuantico.
    Convergencia: efecto túnel.

    Chusa Lamarca.
    Poemas “Hasta allí hemos llegado”.
    http://artesadigital.blogspot.com.es/

  8. Una pregunta: si la partícula que atraviesa la barrera de potencial ve disminuida su amplitud de onda (de paso pregunto, que magnitud física tiene esa amplitud? En la figura de U(z) entiendo que U es potencial…??).
    Si he entendido bien disminuir la amplitud de onda conlleva disminuir la probabilidad de estar en ese punto, querría esto decir que el empalme de cables de cobre conlleva una disminución drástica de la intensidad de corriente eléctrica? Nunca me lo había preguntado pero tampoco nunca he apreciado ese efecto…
    Gracias por el blog y la currada que tiene detrás… 🙂
    Álvaro.

  9. Pingback: La soledad del fotón | Cuentos Cuánticos

  10. Pingback: Perdido en orgías cuánticas

  11. Di que sí, ni microscopio electrónico ni leches: el mejor efecto es el de empalmar cables, ¡ja, ja! Muy original, sí señor, ese ejemplo no lo había visto en ningún sitio.
    Ah, he visto una pequeña errata por ahí: “microscópios”.

  12. Tal como lo plantea el Kibalión…”Como es arriba, es abajo”. El efecto túnel aplicado a la cotidianeidad,,,,o la cotidianeidad, aplicada al efecto
    túnel…

  13. Damien Rodriquez

    Debéis pensar también que he hablado de lo que sucede cuando se acercan dos protones ( cadena protón-protón ). Si consideráramos otro tipo de partículas, como núcleos de helio, carbono, oxígeno, etc.; la forma de las barreras de potencial cambiaría así como la probabilidad de que se dé el efecto túnel ya que al ser núcleos con más carga la repulsión eléctrica será mucho mayor. Esto tiene como consecuencia que la estrella pase por diferentes fases y tenga diferentes ciclos nucleares durante su vida. Nuestro Sol está actualmente en fase principal.

  14. Muy buena entrada CC. Como aportación al tema, os dejo este enlace a otro artículo sobre efecto túnel que también está bien. Saludos.
    http://eltamiz.com/2008/08/13/cuantica-sin-formulas-el-efecto-tunel/

  15. Pingback: El efecto túnel | Ciencia-Física ...

  16. Muy simplificado, pero interesante: video explicativo del funcionamiento de un microscopio de efecto túnel.

  17. Pingback: Física Cuántica | Annotary

  18. Pingback: El efecto Túnel

  19. Un articulo muy bueno. Muchas gracias. Solo una pregunta relacionada con el efecto tunel.
    En catalisis enzimatica, y no enzimatica, dentro del la VTST, cuando hablamos de recrossings, exactamente a que nos refrerimos. A que la onda consiguió atravesar la barerra pero luego volvió porque decreció en amplitud antes de estabilizarse al otro lado, o a que una parte la atraveso pero no toda? O lo que acabo de decir es una tonteria y la explicacion es otra? xD
    Muchas gracias

  20. Jesús, efectivamente. Además hay grupos de investigacion que intentan aprovechar este fenómeno para desarrollar nuevos dispositivos electrónicos con mayor rendimiento. Además, el efecto túnel es un efecto que nos impide avanzar en la miniaturización de transistores, por ejemplo, y por ende processadores, ya que en el moment que se dé este fenómeno en un transistor empezaríamos a tener perdidas cosa que dejaría de hacer funcionar el dispositivo.

  21. Pingback: El efecto túnel | Cuentos Cuánticos | Ciencia y Arte

  22. Los diódos de efecto túnel se basan en esto ¿no?
    Gracias por tu articulo.

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