کلاس درس کوانتوم، قسمت پنجم: تونل زنی کوانتومی

6

در پنجمین قسمت کلاس درس کوانتوم به سراغ تونل زنی کوانتومی، یکی از پدیده های عجیب والبته جالب کوانتومی می رویم. با دیپ لوک همراه باشید…اجازه دهید با ملموس ترین مثال ممکن آغاز کنیم. حیات ما در زمین وابسته به تابش خورشید است. اما تا به حال فکر کرده اید علت تابش خورشید چیست؟ این تابش به دلیل پدیده ای به نام همجوشی هسته ای رخ می دهد. در واقع این پدیده، طور مداوم در هر ستاره ای رخ می دهد. در همجوشی هسته ای، دو یا چند هسته ی سبک تر با یکدیگر برخورد کرده و یک عنصر سنگین تر را می سازند. بیشتر انرژی آزادشده در این فرآیند، به صورت نور است. اما همانطور که میدانیم  هسته ها دارای بار مثبت هستند و یکدیگر را از نظر الکتریکی دفع می کنند؛ بنابراین هسته ها باید انرژی زیادی داشته باشند تا بتوانند به اندازه ی کافی به یکدیگر نزدیک شوند. چرا که با نزدیک تر شدن هسته ها از فاصله ی خاصی، نیروی قوی هسته ای بر نیروی الکتریکی دافعه ای غلبه می کند و همجوشی هسته ای رخ می دهد. اما وقتی دمای خورشید به وسیله ی طیفش تعیین می شود، به نظر می رسد که همجوشی هسته ای به هیچ وجه در خورشید دست یافتنی نیست. به عبارت دیگر، خورشید عملاً نباید تابشی داشته باشد. اما خورشید هر صبح، طلوع می کند و زمین ما را روشن می کند. پس علت این تابش چیست؟ تونل زنی کوانتومی!

تاریخچه ی تونل زنی کوانتومی

تونل زنی کوانتومی یکی از دستاورهای بسیار مهم دهه ی سوم قرن بیستم است، پدیده ای که تا امروز ۵ جایزه ی نوبل فیزیک را برای دانشمندان به ارمغان آورده است. دانشمندانی همچون هانری بکرل، ماری کوری، پیرکوری و رادرفورد که تابش را مطالعه می کردند، به تونل زنی برخورد کردند. اما تونل زنی کوانتومی به طور صریح برای اولین بار در سال ۱۹۲۷ و توسط فردریش هوند، مورد توجه قرار گرفت. بعدها دانشمندان دیگری از این نظریه برای توضیح پدیده های تابشی استفاده کردند. اما در نهایت این ماکس بورن بود که تونل زنی کوانتومی را نتیجه ی کلی قوانین مکانیک کوانتومی معرفی کرد. پس از آن، پای تونل زنی کوانتومی به حوزه های وسیع تری مانند دیودها، ترانزیستورها و نیمه رساناها باز شد. برای اطلاع از تاریخچه ی مفصل تونل زنی، مقاله ی زیر را مطالعه کنید.

دانلود مقاله تاریخچه ی تونل زنی کوانتومی

تونل زنی کوانتومی از نمای نزدیک!

برای تعریف ساده ی تونل زنی کوانتومی، به سراغ معروفترین مثال می روم. فرض کنید بین در یک دره و بین دو کوه گیر افتاده اید، تنها راهی که برای بیرون رفتن از دره به فکر می رسد این است که از یکی از کوه ها بالا رفته، از قله عبور کرده و در سمت دیگر کوه فرود آیید. اما اگر شما یک ذره ی کوانتومی بودید، راه جالب دیگری هم برای خروج شما از این دره وجود داشت: عبور از درون کوه! این راه حل اگرچه در دنیای ماکروسکوپی ما خنده دار به نظر می رسد، اما همان اتفاقی است که هر لحظه در دنیای میکروسکوپی اتفاق می افتد، یعنی تونل زنی کوانتومی. پس حالا می توانیم تونل زنی کوانتومی را اینطور تعریف کنیم: اگر برای رفتن یک ذره ی کوانتومی به یک حالت کوانتومی دیگر، یک سد انرژی وجود داشته باشد، ذره با وجود داشتن انرژی کمتر از آن سد، می تواند از آن عبور کند (گذشتن از درون کوه). اگر گذر ارواح و اشباح از درون دیوار را فقط در فیلم ها دیده اید، گذر ذرات کوانتومی از سدهای انرژی، هر لحظه رخ می دهد. در واقع از نظر فیزیک کلاسیکی، امکان ندارد یک ذره بتواند از سدی با انرژی بیشتر از انرژی درونی اش بگذرد، اما در مکانیک کوانتومی، این پدیده کاملاً عادی است. (جزییات ریاضیاتی تونل زنی کوانتومی را در کلاس های درس تخصصی کوانتومی بررسی خواهیم کرد).

انیمیشن تونل زنی کوانتومی

تونل زنی کوانتومی، نتیجه ای از اصل برهم نهی کوانتومی و اصل عدم قطعیت است. برای روشن تر شدن، اجازه دهید به همجوشی هسته ای بازگردیم. طبق فیزیک کلاسیکی، دمای خورشید برای همجوشی هسته ای کافی نیست. اما اصل برهم نهی کوانتومی می گوید هسته می تواند در بیش از یک مکان وجود داشته باشد (به خاطر ماهیت موج گونه اش)، بنابراین برای رسیدن به دمای کافی و رخ دادن همجوشی، احتمال معینی وجود دارد. بنابر اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، اندازه حرکت یک شی همیشه دارای عدم قطعیت است، بنابراین با گذشت زمان، دو هسته می توانند به سرعت لازم برای همجوشی برسند.

تونل زنی کوانتومی، یکی از چند پدیده ی کوانتومی است که می توانیم آن را در جهان ماکروسکوپی حس کنیم. تونل زنی کوانتومی در واپاشی رادیواکتیو یا در دیسک های فلش رخ می دهد. همچنین پژوهش ها حاکی از آن است که در جهش تصادفی DNA درون ارگانیسم های زنده، تونل زنی پروتون یکی از بازیگران اصلی است و حتی این پدیده می تواند علت سرطان باشد.

جدیدترین مقاله ۲۰۱۶ ژورنال نیچر در مورد تونل زنی کوانتومی

زاده ی اردیبهشت ۶۹ و دانشجوی دکترای شیمی کوانتوم محاسباتی در دانشگاه شهید بهشتی است.او علاقمند به دنیای کوانتوم، تکنولوژی، فوتبال و موسیقی (رپ/راک) بوده و علاوه بر سردبیری دیپ لوک، به طراحی وب و نویسندگی در گجت نیوز، بیگ تم و ماهنامه GB جی اس ام مشغول است.

گفتگو۶ دیدگاه

  1. سیدمرتضی موسویان

    سلام وعرض ادب
    ممنون جالب بود،انگار این حس نیازبه میانبور توی کل طبیعت هست.دیگه توی چی این اتفاق تونل زنی هست؟تو هارد دیسک ها تو فلش ها هم هست؟

ارسال نظر


*