De la Capitolul 1, trebuie să vă amintiți că cuantic de tunel - un proces în care particulele depăși barierele de netrecut cu aceeași ușurință cu care sunetul se deplasează prin pereți. tunelelor Quantum a fost deschis în 1926 de fizicianul german Friedrich Hund și la scurt timp după ce a fost folosit cu succes de George Gamow, Ronald Gurney si Edward Condon pentru a explica conceptul de dezintegrare radioactivă, iar trei dintre ele aplicate în același timp, în timp ce o nouă matematică a mecanicii cuantice. Tunelul cuantic a devenit unul dintre conceptele principale ale fizicii nucleare și, ulterior, a găsit o aplicație largă în domeniul științei materialelor și al chimiei. Așa cum am spus, acest efect este de o mare importanță pentru viața de pe pământ, pentru că este datorită lui, o pereche de nuclee de hidrogen incarcate pozitiv in interiorul Soarelui, îmbinare împreună, pornind astfel procesul de conversie a hidrogenului în heliu, în care se eliberează cantități masive de energie solară. Și totuși până de curând nimeni nu și-a imaginat că tunelul cuantic a fost într-un fel legat de procesele care au loc în materia vie.
Quantum tunelare poate fi înțeleasă ca o metodă prin care particulele sunt inițial pe o parte a barierei să cadă pe cealaltă parte, cu sensul comun dictează că această metodă nu este posibilă. Prin "barieră" înțelegem o zonă insurmontabilă (fără cantitatea necesară de energie) a spațiului - ceva asemănător cu câmpurile de forță de la science fiction. O astfel de barieră poate fi o porțiune îngustă a materialului izolant care separă conductoarele sau spațiul gol, cum ar fi distanța dintre cele două enzime în lanțul respirator. De asemenea, poate fi ceva asemănător cu "dealul" de energie pe care l-am descris mai sus și limităm rata reacțiilor chimice (a se vedea figura 3.1). Imaginați-vă o minge care a împins în sus panta unui deal mic. Pentru ca mingea să ajungă în partea de sus și apoi să răsuciți pe cealaltă pantă, trebuie să o împingeți destul de mult. Urcând panta, mingea va încetini mișcarea și fără cantitatea necesară de energie (obținută printr-o împingere suficient de puternică) trebuie doar să vă opriți și să vă întoarceți spre locul unde a fost împins. Conform mecanicii newtoniene clasice, singura modalitate de a obține mingea pentru a depăși bariera în formă de partea de sus a dealului este de a da suficienta energie pentru a depăși această „energie“ din partea de sus. Dar, dacă s-ar plasa mingea avansat, să zicem, un electron, iar deal ar fi o barieră a energiei respingătoare, ar exista o probabilitate ca un electron ar depăși această barieră sub formă de valuri, deschizând alternative lui și mod mai eficient. Acesta este tunelul cuantic (Figura 3.5).
Fig. 3.5. Tunelul cuantic prin peisajul energetic
O caracteristică importantă a lumii cuantice este că, cu cât este mai ușor particula, cu atât mai ușor va depăși bariera energetică. Prin urmare, nu este nimic surprinzător în faptul că, de îndată ce a devenit clar faptul că acest proces - un fenomen comun pentru lumea intra-atomice, oamenii de știință au descoperit repede că cele mai comune în lumea cuantică, și anume tunelare de electroni, deoarece acestea sunt particule elementare foarte ușoare. Emisiile de electroni din metale sub acțiunea unui câmp electric au fost descrise la sfârșitul anilor 1920, tocmai ca un efect de tunel. Tunelul cuantic a explicat cum se produce dezintegrarea radioactivă: nucleele anumitor atomi, de exemplu uraniul, aruncă dintr-o dată o particulă. Acest exemplu este considerat prima aplicație de succes a mecanicii cuantice pentru rezolvarea problemelor fizicii nucleare. În chimia modernă, tunelul cuantic al electronilor, protonilor (nuclee de hidrogen) și atomii și mai grei este de asemenea descris în detaliu.
O caracteristică importantă a tunelului cuantic este dependența acestuia (precum și multe alte fenomene cuantice) de natura undelor particulelor de materie. Cu toate acestea, corpul constând dintr-un număr mare de particule, care este necesară pentru a depăși bariera trebuie să mențină un mediu în care aspecte ale undei tuturor componentelor sale pentru a se potrivi împreună (de exemplu, pentru a se potrivi cu lungimi de undă). Cu alte cuvinte, corpul trebuie să fie ceea ce noi ar numi un sistem coerent sau pur și simplu un sistem care funcționează "în unison". Decoerenta descrie un procedeu în care setul de undă cuantice se execută rapid din rata totală și să perturbe comportamentul general coerent, lipsind capacitatea organismului de a cuantic de tunel. O particulă poate participa la tunelul cuantic numai dacă păstrează proprietățile valurilor necesare pentru a depăși bariera. Acesta este motivul pentru obiecte mari, cum ar fi mingi de fotbal, nu este specific cuantic de tunel: acestea sunt compuse din mii de miliarde de atomi, precum și comportamentul proprietăților val de care este imposibil să se coordoneze și să-l într-un sistem coerent.
Conform standardelor cuantice ale celulelor vii ele sunt, de asemenea, obiecte de mari dimensiuni, astfel încât la prima vedere posibilitatea de tunel cuantice într-un mediu cald și umed de celule vii, în cazul în care atomii și moleculele se deplasează în mod aleatoriu, în principal, se pare incredibil. Cu toate acestea, așa cum am văzut, structura internă a enzimei este diferit de mediul dezordonat al celulei: miscarea particulelor sale este destul de bine pus la dans, agitat decât o pasiune. Să vedem cât de importantă este această coregrafie a particulelor pentru viață.
Trimiteți-le prietenilor: