domingo, 4 de julio de 2010

La existencia de los átomos (3)

Según la física clásica una partícula confinada entre dos barreras de potencial (como por ejemplo una bolita oscilando libremente en un orificio) no puede escapar si su energía total no le permite superar las barreras de energía que la confinan. En la figura que os muestro, esas barreras de potencial serían los extremos A y C:

El efecto túnel es un fenómeno cuántico que consiste en que existe una probabilidad no nula de que una partícula atraviese dicha barrera de potencial, es decir, es como si la bolita atravesase la pared a través de un túnel:

Según la física cuántica, si las paredes son delgadas, la amplitud de la función de onda de la partícula podría no hacerse cero antes de alcanzar la región de potencial del otro lado de la pared. Esto significa que la partícula podría encontrarse fuera del recipiente que la confina aún cuando de acuerdo con la física clásica no tiene suficiente energía para escapar. Tal fuga a través de regiones prohibidas clásicamente se denomina efecto túnel, tal y como se aprecia en la figura:


Este fenómeno cuántico es la base del funcionamiento del denominado microscopio de efecto túnel.

Un esquema que muestra el funcionamiento del microscopio es el siguiente:



De forma sencilla podríamos describir el dispositivo indicando que consta de los siguientes elementos:

a) La "sonda exploradora" (señalado como "tip" en la imagen, coloreada de rojo). Se trata de una punta de un metal tan extremadamente fina (una aguja, en términos coloquiales), que en condiciones ideales en su extremo inferior debería tener un solo átomo. Esto debe ser así por la sencilla razón de que si deseamos obtener medidas a nivel atómico, el elemento de medida ha de tener un tamaño situado dentro de ese rango.
b) La muestra a estudiar (señalada como "sample" en la imagen, coloreada de azul).
c) Un dispositivo piezoeléctrico con electrodos: su función es mover con extrema precisión la punta metálica, así como registrar las señales eléctricas que se generan en el microscopio.
d) Un circuito eléctrico con diferentes dispositivos (amplificadores, controladores de distancia, un procesador de datos, etc.). La idea es que entre la punta metálica y la superficie a explorar exista una diferencia de potencial que permita la aparición de la corriente de efecto túnel. La barrera de potencial entre la superficie a explorar y la punta metálica sería el espacio vacío existente entre ambas.

Obviamente no se pueden ver los átomos iluminándolos con luz. Lo que hace el microscopio de efecto túnel es medir una pequeña corriente de electrones que los átomos emiten cuando pasa encima de ellos la aguja que termina en un solo átomo. Esa corriente de electrones no es otra cosa que la corriente de efecto túnel: los electrones confinados en los átomos de la superficie metálica son capaces de atravesar la barrera de potencial existente entre dicha superficie y la aguja (el espacio vacío antes mencionado). Lo que nos muestran estas imágenes es una representación por ordenador de la corriente medida una vez amplificada. Dicho de otro modo, lo que vemos es (más o menos) el módulo de la función de probabilidad de los electrones en cada átomo.

Las imágenes son absolutamente espectaculares, y las podéis encontrar en nobelprize.org:

Imágenes microscopio efecto túnel

Superficie de una placa de níquel



Superficie del platino:

4 comentarios:

  1. Hola Agustín, estoy completamete de acuerdo en que las imágenes son absolutamente espectaculares, es tan difícil hacerse una idea de que uno está "viendo" un átomo, realmente difícil darse cuenta de verdad de la escala de lo que "vemos"... porque la verdad, por mucho que una entienda (en su día lo hice al menos!!) las matemáticas que demuestran la existencia del efecto túnel, he de decir que aún así sigue resultando magia. Este año me recuerdo intentando responder a las peguntas de los chavales de 3º de ESO sobre todo esto porque estas imágenes aparecen el los textos de 3º y hablan del microscopio de efecto túnel, y algunos chavales me acribilaron a preguntas interesantísimas! pero claro, obviamente no lo entieden y me encontré en la típica situación de tener que decirles al final aquello de "sigue estudiando física y química y algún día lo entenderás", y ellos responden "ya estás profe".... aaay

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  2. Sí, resulta difícil explicar lo del efecto túnel. Yo a veces he tratado de ponerles el siguiente ejemplo:
    - Una pelota de tenis no atraviesa la pared, es materia.
    - El sonido que provoca la pelota al chocar contra la pared puede atravesar dicha pared si ésta no es muy gruesa, ya que es una onda, y se propaga a través del sólido.
    - A escala atómica los electrones en la situación en la que se produce el efecto túnel se comportan como ondas, por tanto existe una probabilidad no nula de que puedan "escapar" de esa pared que sería el espacio vacío que rodea al átomo.
    En fin, resulta difícil. Yo creo que uno de los problemas que tenemos en los departamentos de Física y Química es que todavía nos resistimos a hacernos cargo de los grupos de primer ciclo (1º o 2º, me es indiferente). La consecuencia es que esas plazas están copadas por profesores de Biología y Geología o maestros, y por tanto los chavales llegan a 3º sin haber dado nada de Física y Química, con lo que nuestra asignatura es el COCO, y en 4º huyen de ella.

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  3. Yo a veces he intentado que lo comprendan utilizando el ejemplo de la pelota de tenis:
    - La pelota golpea la pared y no la atraviesa.
    - El sonido que hace la pelota al golpear la pared sí puede atravesarla siempre que no sea muy gruesa, ya que es una onda que se transmite por el sólido.
    - A nivel atómico el electrón al "chocar" con los límites en los que está confinado puede comportarse como una onda, y si la barrera de potencial no es lo suficientemente grande podrá atravesarla.
    Pero claro, el problema es que los chavales suelen llegar a 3º de la ESO sin haber dado nada de F y Q en el primer ciclo, ya que muchos departamentos de F y Q se desentienden de esos cursos, que son impartidos por maestros o por profesores de B y G, que obviamente dan los temas que les son más afines.

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  4. Si véis el comentario repetido es porque no sé que pasa, pero en la página general me sale un solo comentario, pero en la de diseño de blogger me salen todos. En fin, más vale que sobre que no que falte.

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