La historia de los túneles cuánticos

En 1928, George Gamow explicó correctamente la desintegración alfa de los núcleos atómicos mediante el efecto túnel cuántico. En la mecánica clásica, las partículas están estrechamente unidas al núcleo, principalmente porque necesitan energía adicional para escapar del fuerte potencial del núcleo. Por tanto, la desintegración alfa no puede explicarse mediante la mecánica clásica. En la mecánica cuántica, las partículas no necesitan tener una energía más fuerte que la energía potencial para escapar del núcleo; las partículas pueden atravesar el potencial con probabilidad, por lo que están libres de las limitaciones del potencial nuclear. Gamov propuso un modelo potencial del núcleo atómico y utilizó este modelo para derivar una ecuación para la relación entre la vida media de una partícula y su energía.

Al mismo tiempo, Ronald Gurney y Edward Condon también estudiaron de forma independiente el efecto de túnel cuántico de la desintegración alfa. Pronto, dos equipos científicos estaban investigando la posibilidad de que partículas penetraran en los núcleos atómicos.

La teoría de los túneles cuánticos también tiene aplicaciones en otros campos, como la emisión en frío de electrones, la física de semiconductores, la física de superconductores, etc. El principio de funcionamiento de la memoria flash implica la teoría de los túneles cuánticos. Un problema grave con los circuitos integrados VLSI es la fuga de corriente. Esto provocará una pérdida considerable de energía y efectos de sobrecalentamiento.

Otra área de aplicación importante es la microscopía de efecto túnel. Muchos objetos diminutos no se pueden observar con un microscopio común, sin embargo, un microscopio de efecto túnel puede observar claramente los detalles de estos objetos; El microscopio de efecto túnel supera los problemas limitantes de los microscopios ordinarios (limitaciones de aberración, limitaciones de longitud de onda, etc.). Puede utilizar electrones de efecto túnel para escanear la superficie de un objeto.

Reacciones químicas con evidente efecto túnel cuántico

Diagrama de energía potencial de reacción química tradicional.

El efecto túnel cuántico también puede existir en algunas reacciones químicas. En este tipo de reacción, la función de onda de las moléculas reactivas puede atravesar la barrera de reacción, pero en las reacciones químicas clásicas, la reacción sólo puede ocurrir cuando las moléculas reactivas obtienen suficiente energía para atravesar la barrera de energía de activación (ver la figura en la derecha).

Para reacciones químicas con túnel cuántico, se puede agregar un factor de corrección Q a la fórmula de Arrhenius para relacionar la velocidad de reacción K, la temperatura T y la barrera energética E (similar a la energía de activación Ea):< / p>

Estos incluyen:

m es la masa de la partícula del túnel y 2a es el ancho de la barrera potencial.

Se puede ver en la fórmula anterior que cuanto menor es la masa de la partícula túnel (cuanto mayor es la longitud de onda de De Broglie), menor es el ancho de la barrera (es decir, más estrecha es la barrera) y la La reacción se ve afectada por el efecto túnel cuántico, mayor es la posibilidad. Por lo tanto, los electrones, los átomos de hidrógeno o los átomos de deuterio generalmente hacen túneles, y los átomos de elementos más pesados ​​rara vez participan en la formación de túneles. El ancho de la barrera potencial está determinado por la distancia entre las posiciones de las partículas antes y después de la tunelización. Cuanto menor sea la distancia entre dos sitios de reacción, mayor será el grado de tunelización. Y cuanto más baja es la barrera energética, mayor es el grado de tunelización. Debido a que β es proporcional a 2a y a la raíz cuadrada de la masa m, el factor Q se ve más afectado por el ancho de la barrera que por la masa de la partícula.

Un método para verificar la existencia de túneles cuánticos en reacciones químicas es el efecto isotópico cinético (KIE). En el experimento KIE, un átomo del reactivo en la reacción se marca con isótopos del mismo elemento de diferentes masas y reaccionan por separado. Al comparar las velocidades de reacción de los dos, se puede obtener información sobre el mecanismo de reacción. Si el paso de control de la velocidad de una reacción implica la ruptura de enlaces químicos formados por el isótopo y otros elementos, cuanto más pesado sea el isótopo, es menos probable que rompa el enlace químico. Por lo tanto, cuando en la reacción participan reactivos marcados con diferentes isótopos del mismo elemento, la velocidad de reacción debe ser diferente y la velocidad de reacción de los reactivos marcados con isótopos pesados ​​debe ser más lenta. Si los dos isótopos son deuterio y deuterio (es decir, hidrógeno-1 e hidrógeno-2), en términos generales, el valor de kH/kD debe estar entre 6-10, es decir, la velocidad de reacción con enlaces C-H es la velocidad de reacción con C-D. Se adhiere de 6 a 10 veces la velocidad. Pero si hay un efecto túnel cuántico en la reacción, dado que la masa m está en la posición exponencial en el factor q, el cambio de m tiene un gran impacto en la velocidad, por lo que el valor de kH/kD debería ser mucho mayor que 10. Los hechos experimentales también prueban esta hipótesis. Por ejemplo, en la siguiente reacción, el α-hidrógeno del nitropropano es desprotonado y yodado por piridina estéricamente impedida, y el valor KIE de la reacción alcanza 25 a 25°C, lo que significa que es probable que exista un efecto de túnel cuántico en la reacción. reacción.

La existencia del término de corrección q hace que la velocidad k de la reacción con efecto túnel cuántico se vea muy poco afectada por la temperatura t. En comparación con las reacciones químicas ordinarias, cuando la temperatura aumenta o disminuye significativamente, este tipo de. La reacción no suele producir cambios significativos en la velocidad, sólo una pequeña diferencia. A bajas temperaturas, el efecto túnel cuántico es más evidente y la investigación sobre este tipo de reacción suele realizarse a bajas temperaturas.

Sin embargo, a medida que aumenta la temperatura, algunas moléculas pasan al segundo nivel de energía vibratoria (n=1), lo que reduce el ancho de la barrera y acelera la velocidad de reacción. Por eso la tasa no es cero en función de la temperatura.

El túnel cuántico es el más común en reacciones químicas orgánicas, especialmente en algunas reacciones que contienen intermediarios activos y algunas reacciones bioquímicas catalizadas por enzimas. Este es un mecanismo por el cual las enzimas pueden aumentar significativamente la velocidad de una reacción. Las enzimas utilizan túneles cuánticos para transferir electrones y núcleos, como átomos de hidrógeno y átomos de hidrógeno pesados. Los experimentos también muestran que, bajo determinadas condiciones fisiológicas, incluso el núcleo de oxígeno de la glucosa oxidasa puede producir efectos de túnel cuántico.

La reacción en cadena protón-protón también es un ejemplo de túnel cuántico.

Algunos científicos creen que el efecto túnel cuántico en las reacciones químicas es la base para la síntesis de muchas moléculas orgánicas en el universo, y también puede ser un mecanismo importante para la síntesis de compuestos orgánicos necesarios para la vida temprana. En el espacio exterior la temperatura es extremadamente baja, hay muchos elementos de hidrógeno y helio y muchas moléculas de formaldehído como materia prima sintética. Estos factores favorecen la aparición de túneles cuánticos. A través de muchas reacciones similares, se pueden sintetizar muchos compuestos orgánicos complejos a partir de materias primas inorgánicas simples, rompiendo las prohibiciones de las reacciones químicas tradicionales. Estas moléculas orgánicas probablemente estén relacionadas con el origen de la vida.