جهان فیزیک همیشه مطابق چیزی که از زندگی روزمره انتظار داریم رفتار نمیکند. در مقیاسهای بزرگ، اگر جسمی به مانعی برخورد کند و انرژی کافی برای عبور از آن نداشته باشد، انتظار داریم متوقف شود یا مسیر خود را تغییر دهد. اما در مقیاس کوانتومی، طبیعت میتواند رفتاری نشان دهد که در نگاه نخست با تجربه روزمره ما سازگار نیست؛ ذره میتواند با احتمال مشخصی از مانعی عبور کند که طبق قوانین فیزیک کلاسیک نباید توان عبور از آن را داشته باشد.
دیواری که برای ذره، آنقدرها هم دیوار نیست
دکتر پروین آذرفام، متخصص فیزیک پزشکی در گفتوگو با ایسنا در توضیح این پدیده میگوید: اگر بخواهیم تونلزنی کوانتومی را با یک مثال ساده توضیح دهیم، میتوانیم یک توپ را تصور کنیم که به سمت یک دیوار حرکت میکند. اگر انرژی توپ کمتر از مقدار لازم برای عبور از دیوار باشد، در فیزیک کلاسیک انتظار نداریم توپ ناگهان در طرف دیگر دیوار ظاهر شود.
وی ادامه داد: اما در مکانیک کوانتومی، توصیف یک ذره با یک تصویر کاملا متفاوت انجام میشود. ذره را نمیتوان مانند یک گلوله بسیار کوچک با مسیر و موقعیت کاملا مشخص در نظر گرفت. وضعیت کوانتومی ذره با تابع موج توصیف میشود و این تابع میتواند در ناحیهای که از دید فیزیک کلاسیک برای ذره ممنوع است، دامنه داشته باشد.
وی توضیح میدهد: همین ویژگی باعث میشود احتمال یافتن ذره در طرف دیگر یک سد انرژی، حتی زمانی که در توصیف کلاسیک انرژی کافی برای عبور از آن وجود ندارد، صفر نباشد. این همان چیزی است که ما آن را تونلزنی کوانتومی مینامیم.
آذرفام تاکید میکند: البته استفاده از واژه «عبور از دیوار» ممکن است باعث یک برداشت اشتباه شود. ذره مانند یک جسم کوچک نیست که یک سوراخ در دیوار ایجاد کند یا به شکل معمول از داخل آن عبور کند. آنچه اتفاق میافتد نتیجه ماهیت کوانتومی سیستم و توصیف احتمالاتی آن است.
چرا این اتفاق در زندگی روزمره دیده نمیشود؟
یکی از سوالهای طبیعی این است که اگر تونلزنی واقعی است، چرا ما هر روز شاهد عبور اجسام از دیوار نیستیم؟
آذرفام میگوید: قوانین مکانیک کوانتومی برای همه سامانهها بنیادی هستند، اما آثار کوانتومی در مقیاسهای مختلف به یک شکل قابل مشاهده نیستند. یک ذره زیراتمی میتواند در شرایط مشخص احتمال قابل توجهی برای تونلزنی داشته باشد، اما یک جسم روزمره از تعداد بسیار زیادی ذره تشکیل شده است و رفتار جمعی چنین سامانهای با آنچه برای یک ذره منفرد مشاهده میکنیم، تفاوت بسیار زیادی دارد.
وی افزود: برای یک سد کوانتومی، عواملی مانند ضخامت و ارتفاع سد و ویژگیهای ذره بر احتمال تونلزنی تاثیر میگذارند. هرچه شرایط برای تونلزنی نامناسبتر باشد، احتمال آن میتواند بهشدت کاهش پیدا کند.
وی ادامه میدهد: بنابراین اینکه میگوییم «ذرات میتوانند از سد عبور کنند» به این معنا نیست که هر جسمی میتواند از هر مانعی عبور کند. این موضوع به شرایط فیزیکی سیستم وابسته است و در مقیاسهای روزمره، احتمال چنین رخدادی برای اجسام ماکروسکوپی به اندازهای ناچیز است که در عمل آن را مشاهده نمیکنیم.
آذرفام خاطرنشان کرد: یکی از جذابیتهای فیزیک همین است که یک قانون بنیادی میتواند در مقیاسهای مختلف، نمودهای بسیار متفاوتی داشته باشد. شهود ما از جهان اطرافمان بیشتر بر اساس تجربه اجسام بزرگ شکل گرفته است؛ بنابراین طبیعی است که رفتار کوانتومی برایمان عجیب به نظر برسد. تونلزنی کوانتومی از مدتها پیش در فیزیک نظری مطرح بود، اما اهمیت آن زمانی بیشتر شد که آزمایشها توانستند آثار آن را بهصورت مستقیم بررسی کنند.
وی بیان کرد: تونلزنی تنها یک نتیجه ریاضی از معادلات کوانتومی نیست. شواهد تجربی بسیار مهمی برای آن وجود دارد و یکی از نمونههای تاریخی آن به آزمایشهای مربوط به تونلزنی در نیمهرساناها و ابررساناها بازمیگردد.
وی گفت: در سال ۱۹۷۳، لئو اساکی و ایوار گیور برای کشفیات تجربی خود درباره پدیدههای تونلزنی در نیمهرساناها و ابررساناها، به همراه برایان جوزفسون، جایزه نوبل فیزیک را دریافت کردند. این موضوع نشان میدهد که تونلزنی از دههها پیش به عنوان یک پدیده فیزیکی واقعی و قابل آزمایش شناخته شده است.
وقتی این پدیدهٔ عجیب به زندگی روزمره میرسد!
آذرفام بیان کرد: تونلزنی کوانتومی شاید در نگاه نخست پدیدهای مربوط به دنیای بسیار کوچک اتمها و ذرات به نظر برسد، اما آثار آن در فناوریهای واقعی نیز دیده میشود. تونلزنی الکترونها در نیمهرساناها یک پدیده شناختهشده و اندازهگیریشده است و در برخی قطعات الکترونیکی مورد استفاده قرار میگیرد. گوشی موبایل، لپتاپ، فلش و SSD و یکی از ملموسترین نمونهها، حافظه فلش است. در ساختار حافظههای فلش، از تونلزنی الکترونها برای ذخیره یا پاککردن بار الکتریکی در سلولهای حافظه استفاده میشود. بنابراین وقتی اطلاعاتی را روی فلش، کارت حافظه یا برخی انواع حافظههای الکترونیکی ذخیره میکنیم، یک پدیده کوانتومی در سازوکار ذخیرهسازی آن نقش دارد.
وی همچنین افزود: یکی از نمونههای مهم، «میکروسکوپ تونلی پیمایشی» است که با اندازهگیری جریان تونلی میان نوک میکروسکوپ و سطح ماده، امکان بررسی ساختار ماده در مقیاس اتمی را فراهم میکند. این فناوری نشان میدهد که یک پدیده کوانتومی میتواند به ابزاری برای مطالعه مستقیم ماده در مقیاس بسیار کوچک تبدیل شود.
فیزیک هستهای؛ چرا بعضی هستهها پایدار میمانند و بعضی واپاشی میکنند؟
دکتر محمدعلی حسین پورفیض، متخصص حوزه فیزیک هستهای نیز در گفتوگو با ایسنا درباره دلیل پایداری برخی هستهها اظهار میکند: برای درک پایداری هسته باید به برهمکنشهای میان اجزای آن توجه کنیم. پروتونها دارای بار مثبت هستند و در نتیجه میان آنها دافعه الکتریکی وجود دارد، اما در فاصلههای بسیار کوتاه، نیروی هستهای قوی نیز در ساختار هسته نقش دارد.
وی ادامه داد: پایداری هسته نتیجه یک عامل واحد نیست. تعداد پروتونها و نوترونها، نحوه توزیع آنها، انرژی حالت هسته و ویژگیهای برهمکنشهای هستهای، همگی میتوانند در پایداری یا ناپایداری یک هسته موثر باشند.
وی افزود: به همین دلیل نمیتوان تنها با نگاه کردن به تعداد پروتونها درباره پایدار یا ناپایدار بودن یک هسته قضاوت کرد. نسبت نوترون به پروتون نیز در بسیاری از هستهها اهمیت دارد و هستههای مختلف برای رسیدن به وضعیت پایدارتر میتوانند رفتارهای متفاوتی داشته باشند.
پورفیض خاطرنشان کرد: در برخی هستهها، اگر ترکیب پروتونها و نوترونها از محدودههای مناسب فاصله بگیرد، هسته ممکن است از طریق یک فرآیند واپاشی به وضعیت دیگری منتقل شود.
چرا یک هسته واپاشی میکند؟
این متخصص فیزیک هستهای میگوید: واپاشی هستهای را میتوان به طور کلی فرآیندی دانست که طی آن یک هسته ناپایدار به حالت یا هستهای با وضعیت پایدارتر تبدیل میشود. بسته به نوع هسته و فرآیند مورد نظر، این واپاشی میتواند به شکلهای مختلفی مانند آلفا، بتا یا گاما رخ دهد.
وی ادامه میدهد: در واپاشی آلفا، هسته یک ذره آلفا، یعنی مجموعهای شامل دو پروتون و دو نوترون، منتشر میکند. در واپاشی بتا، تبدیلهایی میان نوترون و پروتون همراه با انتشار ذرات مربوط به این فرآیند رخ میدهد و در واپاشی گاما، هسته انرژی اضافی خود را به صورت تابش الکترومغناطیسی گسیل میکند.
وی اضافه میکند: این فرآیندها سازوکار یکسانی ندارند و نباید همه انواع پرتوزایی را با یک توضیح واحد بیان کرد.
پورفیض تاکید میکند: برای مثال، در واپاشی آلفا، تونلزنی کوانتومی یکی از مفاهیم مهم برای توضیح چگونگی خروج ذره آلفا از سد پتانسیلی هسته است؛ همان پدیدهای که در بحثهای مربوط به اسرار فیزیک نیز میتواند به عنوان نمونهای جذاب از رفتار کوانتومی مطرح شود.
به گزارش ایسنا، تونلزنی کوانتومی یکی از پدیدههایی است که نشان میدهد رفتار طبیعت در مقیاس کوانتومی میتواند با شهود شکلگرفته از جهان روزمره تفاوت داشته باشد؛ پدیدهای که در کنار نقش آن در توضیح برخی فرآیندهای هستهای، در آزمایشها و فناوریهای مختلف نیز مورد بررسی و استفاده قرار گرفته است. در همین ارتباط، فیزیک هستهای نیز با بررسی ساختار، پایداری و واپاشی هستهها، تصویری دقیقتر از فرآیندهایی ارائه میدهد که در کوچکترین مقیاسهای ماده رخ میدهند و ارتباط میان این دو حوزه، نمونهای از پیوند مفاهیم بنیادی فیزیک در توصیف رفتار جهان است.
انتهای پیام
