(Q-8) Tunneling Cuántico.Un ejemplo puede clarificar como difieren las "nuevas" y "viejas" mecánicas, citando la manera en que George Gamow en 1928 explicó la radiactivad alfa. De acuerdo a lo descrito en la sección # S-7 de "Astrónomos" y con más detalle en la sección # S-8, el núcleo atómico experimenta fuerzas opuestas: la fuerte fuerza nuclear que mantiene a sus partículas unidas debe sobreponer la repulsión eléctrica entre los protones positivos que comparten al núcleo, el cual intentan deshacer. La fuerza nuclear gana a distancias cortas, lo cual es la razón de que existan los núcleos, pero debido a que la fuerza decrece rápidamente con la distancia, a lo lejos la repulsión eléctrica domina.
Considere un protón dentro del núcleo. Si algo lo retira una corta distancia, la fuerza nuclear lo regresa inmediatamente, pero si por alguna razón se retira lo suficiente, la repulsión eléctrica lo retirará aún más, para nunca regresar. Un ejemplo es la fisión nuclear, posible en núcleos pesados de plutonio o uranio-235. Sus núcleos contienen tantos protones intentando separarse (con su repulsión eléctrica), que agregando tan solo una modesta cantidad de energía, desprendida cuando a un neutrón adicional se le permite ser jalado hacia el núcleo, ocasiona que el núcleo entero se desbarate en dos partes cargadas positivamente. Estas se separan lo suficiente que nunca regresan de nuevo, al contrario, la repulsión eléctrica las separa aún más y desprenden una gran cantidad de energía.
Tales núcleos, así como núcleos pesados cercanos a ellos en masa, están al borde de la inestabilidad, y aún sin una energía adicional externa, encuentran una manera de deshacerse de algunas de sus cargas positivas desestabilizadoras. Las fuerzas de los protones dentro de estos núcleos se parecen a un puñado de canicas dentro del cráter de una superficie parecida a un volcán, con pendientes suaves por fuera, pero con un cráter moderadamente profundo en la parte superior (vea dibujo). El contorno de la "montaña" puede ser vista como una representación de la fuerza total de los protones en un núcleo. Dentro del cráter la atracción predomina, manteniendo juntos a los protones, mientras que en el exterior predomina la repulsión, retirándolos. En la analogía de las canicas dentro de un cráter, si por alguna razón una canica se pudiera salir, digamos excavando un túnel a través de la pared del cráter, esta repulsión haría que rodara hacia afuera y ocasionaría un desprendimiento de energía. La mecánica Newtoniana no proporciona dichos túneles: el protón está aprisionado dentro del cráter durante toda la eternidad. De acuerdo a la mecánica cuántica, sin embargo, la ubicación del protón está determinada por una función de onda distribuída. Esa onda está en la parte más alta dentro del "cráter" del núcleo, y si el protón se materializara allí, este queda atrapado (aquí "si" tan solo ayuda a imaginar el proceso; en física cuántica, si un proceso, como esta materialización, es inobservable, es lo mismo que digamos que no existe). Las periferias de la onda, sin embargo, se extienden aún más afuera, y siempre tienen una fuerza finita (aunque muy pequeña) más allá del cráter, dándole una oportunidad finita para que el protón se materialice en el exterior y escape. Es como si las leyes cuánticas le dieran una pequeña oportunidad para pasar por un "túnel" a través de la barrera hacia la pendiente exterior. Gamov (así como Ronald W. Gurney, más o menos en la misma época) propuso que dicho "tunneling cuántico" existía en realidad, y era la causa principal de la radiactividad en los elementos pesados. Había una modificación: la transición más probable, que requería la mínima energía, no era el escape de un solo protón, sino de un núcleo de helio, dos protones y dos neutrones ligados entre sí por la fuerza nuclear, un enlace muy fuerte. Tales núcleos tan energéticos eran conocidos como "particulas alfa" (particulas α), un nombre introducido en los días iniciales de la investigación de la radiactividad, después de que los físicos encontraron que algunas partículas cargadas positivamente eran emitidas, pero no podían saber todavía qué eran. Puede tomar millones o miles de millones de años antes de que una partícula α logre cruzar el "tunel" para salir, y tal radiactividad es la fuente de gran parte del calentamiento interno de la Tierra (el potasio radiactivo también contribuye). Otros tipos de radiactividad en los elementos pesados con frecuencia representan el reajuste de los núcleos que quedaron inestables debido a una emisión de partículas α, algunas veces llevando a la emisión adicional de dichas partículas. Tarde o temprano, la partícula α captura dos electrones de su ambiente y se convierte en un átomo ordinario de helio (y mientras tanto el núcleo, habiendo tenido una emisión α, ha reducido su carga positiva y por lo tanto debe dar dos electrones, conservando la neutralidad eléctrica de la materia). Casi todo el helio que se encuentra atrapado en las rocas o que se ha extraído del gas natural, en realidad fue logrado por este proceso (lo podemos ver así debido a que es una forma deficiente más ligera de helio, observado en el Sol y en otros lados). ¡Así, el gas utilizado para llenar naves aéreas y globos es casi en su totalidad un producto de la radiactividad! ConclusiónEl estudio de rayos gamma de los núcleos radiactivos sugiere que los núcleos también tienen niveles de energía. Sin embargo, utilizando la mecánica cuántica para calcular tales niveles es mucho más difícil allí, porque las partículas nucleares están mucho más ligadas entre sí, y las fuerzas nucleares son más complicadas. Aún así, por lo menos como aproximación, la teoría cuántica puede ser aplicada a muchos procesos nucleares (como lo fue con la radiactividad α visto anteriormente), y también en colisiones rápidas de partículas y de fisión nuclear. La física del espacio trata de objetos grandes, estrellas, plasmas, planetas, etc., muy lejos de la escala submicroscópica de la mayoría de los procesos cuánticos. Sin embargo, aún así necesita la mecánica cuántica para dar cuenta de los procesos a escala atómica involucrados en el comportamiento de tales objetos grandes. La energía de las estrellas tales como el Sol es debida en su mayoría a las reacciones entre los núcleos atómicos, y la mayoría de los elementos que conocemos (excluyendo solo a los más ligeros) aparentemente se "cocen" muy rápidamente en los colapsos catastróficos de las estrellas grandes, creando lo que se conoce como una "supernova". Ciertamente, la materia del "Big Bang" original parecía carecer de todos los elementos familiares del carbón y superiores, de los cuales la vida (entre otras cosas) depende. Otros procesos cuánticos determinan:
Casi todo lo anterior describe el trabajo hecho entre 1900 y 1960. Desde entonces se han agregado muchas más, en particular respecto a la manera en que las partículas elementales interactúan en colisiones de alta energía (con aplicaciones al universo inicial, después del Big Bang). Aquí, "partículas elementales" significan protones, neutrones y electrones, así como productos inestables de colisiones nucleares de alta energía. Eso, sin embargo, está mas allá del nivel de este repaso, así como supera el nivel de experiencia del escritor, dos buenas razones para detenerse aquí.
|
