اقرأ في هذا المقال
- ما هو النفق الكمومي؟
- كيف نعرف أن النفق الكمومي يحدث بالفعل؟
- شرح ظاهرة النفق الكمومي
- تطبيقات ظاهرة النفق الكمومي
ما هو النفق الكمومي؟
النفق الكمي هو ظاهرة أصبحت ذات صلة بالمقياس النانوي وما دونه. إنّها مفارقة من وجهة النظر الكلاسيكية لأنّها تمكن الجسيمات والذرات الأولية من اختراق حاجز نشط دون الحاجة إلى طاقة كافية للتغلب عليه. قد يبدو أنّ الأنفاق عملية غريبة مهمة فقط للتأثيرات الفيزيائية الخاصة والتطبيقات مثل (Tunnel Diode) أو (Scanning Tunneling Microscopy) (نفق الإلكترون) أو الفحص المجهري البصري القريب من المجال الذي يعمل في وضع نفق الفوتون.
ومع ذلك، توضح هذه المراجعة أن حفر الأنفاق يمكن أن تفعل أكثر من ذلك بكثير، كونها ذات أهمية حيوية للحياة: يمكن تتبع العمليات الفيزيائية والكيميائية التي تعتبر حاسمة في النظريات حول أصل الحياة وتطورها مباشرة إلى آثار النفق الكمومي.
تشمل هذه العمليات التطور الكيميائي في الأجزاء الداخلية النجمية وداخل الوسط البينجمي البارد، والكيمياء البريبايوتيكية في الغلاف الجوي وتحت سطح الكواكب، وقابلية الكواكب للسكن عبر التشمس والحرارة الجوفية بالإضافة إلى وظيفة الآلات النانوية الجزيئية الحيوية. توضح هذه المراجعة أن نفق الكم له العديد من الآثار الهامة للغاية في مجال التطور الجزيئي والبيولوجي، والكيمياء الحيوية وعلم الأحياء الفلكي.
تعريف النفق الكمومي:
تخيل إطلاق جسيم ميكانيكي كمي، مثل الإلكترون أو البروتون في فراغ على جانب واحد من تلة الطاقة الكامنة. نظراً لأنّك متأكد من أنّ الجسيم لا يمكنه الهروب، فهو ليس نشطاً بما يكفي للارتفاع للأعلى، فإنّك تتركه لأجهزته الخاصة. ولكن عندما تعود للتحقق من ذلك، يختفي الجسيم. تجده وقد تسلل للأعلى، وقد تسلل عبره مباشرة. يمكن لجسيمات الأنفاق أن تمر ببساطة عبر حواجز الطاقة التي لا تمتلك الطاقة للتغلب عليها.
يبدو مخالفاً لكل ما تعتقد أنّه قوانين الفيزياء؟ هذا ما اعتقده العلماء الذين اكتشفوه لأول مرة في عام 1927م. نحن نعلم اليوم أنّ النفق أمر شائع إلى حد ما في العالم الكمي. لن تعمل أشباه الموصلاتوالترانزستورات والثنائيات بدونها.
كيف نعرف أن النفق الكمومي يحدث بالفعل؟
النفق الكمومي هو سبب شروق الشمس. تدمج معظم النجوم البروتونات في نوى الهيليوم، مما يؤدي إلى طرد كميات هائلة من الطاقة في هذه العملية. تكمن المشكلة في أنّه في حين أنّ شمسنا حارة، فإنّها ليست ساخنة بدرجة كافية لإعطاء بروتونات الشمس طاقة كافية للتغلب على التنافر الإلكتروستاتيكي المتبادل.
لكن احتمال النفق الضئيل (1 في 1028)، يعني أنّ بعض الجسيمات لا تزال تخترق حاجزها المنفر. نظراً لأنّ الشمس تحتوي على كميات هائلة من الهيدروجين، فإنّ هذا الاحتمال الضئيل يترجم في (1038) حدث اندماج في الثانية ينتج ما يكفي من الضوء والحرارة لجعل الحياة على الأرض ممكنة.
كيف يعمل النفق الكمومي؟
النفق هو في الواقع كلمة رهيبة لاستخدامها لأنّ المصطلح يستحضر صوراً لجسيم يشق طريقه عبر جدار. لكن لا يوجد ثقب أو نفق أو أي نوع آخر من الفتحات. بدلاً من ذلك، نحتاج إلى استخدام نفس الطريقة التي يتعامل بها مجال ميكانيكا الكم، وهي الاحتمالات. يمكن وصف الجسيم بأنّه موجة متذبذبة، ويمثل اتساعها احتمال العثور عليها في مكان معين.
عند مواجهة حاجز، لا تنتهي هذه الموجة فجأة. بدلاً من ذلك، يستمر في الداخل وعلى الجانب الآخر من الحاجز، وإن كان بسعة أصغر. النفق هو احتمال العثور على جسيم على الجانب الآخر من الحاجز. كلما كان الجسيم أخف، وكلما كان الحاجز أصغر وأضيق، زاد احتمال حدوث ذلك.
شرح ظاهرة النفق الكمومي:
تعتبر ظاهرة النفق، التي ليس لها نظير في الفيزياء الكلاسيكية، نتيجة مهمة لميكانيكا الكم. ضع في اعتبارك جسيماً به طاقة (E) في المنطقة الداخلية لبئر جهد أحادي البعد ((V (x). (البئر المحتمل هو احتمال ذو قيمة أقل في منطقة معينة من الفضاء مقارنة بالمناطق المجاورة)، في الميكانيكا الكلاسيكية، إذا كان (E < V) (أقصى ارتفاع للحاجز المحتمل)، يبقى الجسيم في البئر إلى الأبد، وإذا كانت (E > V)، فإنّ الجسيم يهرب.
في ميكانيكا الكم، الوضع ليس بهذه البساطة. يمكن للجسيم الهروب حتى لو كانت طاقته (E) أقل من ارتفاع الحاجز (V)، على الرغم من أنّ احتمال الهروب ضئيل ما لم يكن (E) قريباً من (V). في هذه الحالة، قد يخترق الجسيم الحاجز المحتمل ويخرج بنفس الطاقة (E).
تطبيقات ظاهرة النفق الكمومي:
ظاهرة النفق الكمومي لها العديد من التطبيقات الهامة. على سبيل المثال، تصف نوعاً من الاضمحلال الإشعاعي الذي تنبعث فيه النواة جسيم ألفا (نواة الهليوم). وفقاً للتفسير الكمي الذي قدمه كل من “جورج جامو” و”رونالد دبليو جورني” و”إدوارد كوندون” في عام 1928م، فإنّ جسيم ألفا محصور قبل الاضمحلال بواسطة جهد.
بالنسبة لنوع نووي معين، من الممكن قياس الطاقة (E) لجسيم ألفا المنبعث ومتوسط عمر النواة قبل الاضمحلال. يُعد عمر النواة مقياساً لاحتمالية المرور النفقي عبر الحاجز، فكلما كان العمر أقصر، زاد الاحتمال للمرور النفقي عبر الحاجز.
