Efecto túnel: Utilidad

Para encontrar en el universo fenómenos en los que se pueda comprobar el efecto túnel no hay que buscar mucho. Los tenemos en la fusión nuclear, en la fisión nuclear y en múltiples aplicaciones. Veamos cómo este efecto condiciona completamente nuestras vidas.

Si nos diéramos un paseo por el interior del sol veríamos que lo que allí hay es algo así como una sopa caliente llena de núcleos de hidrógeno, núcleos de helio, protones, electrones y neutrinos. Hemos nombrado las partículas y no nos referimos a los átomos, porque a las temperaturas del orden de quince millones de grados centígrados en que se encuentran, los enlaces atómicos son casi nulos.

Toda la energía que se produce en el interior del sol y que nosotros recibimos por radiación, se genera en unas reacciones nucleares en las cuales el hidrógeno se va transformando en helio. Pero el núcleo de helio tiene dos protones cuya carga eléctrica es positiva, y ambos proceden de los núcleos de hidrógeno que solo tienen un protón. Y aquí surge la pregunta: Si para formar un núcleo de helio hace falta que se junten dos protones, ¿cómo puede ser que así ocurra si las cargas eléctricas del mismo signo, como todos sabemos, se repelen entre sí?

Respuesta: Por efecto túnel. Para dos protones que se vayan acercando entre sí, la fuerza de repulsión es una verdadera barrera que, además, va creciendo con la proximidad. Y aunque es mucho más probable que los protones no atraviesen la barrera, puede ocurrir que sí lo hagan por efecto túnel, a pesar de que la probabilidad de que esto ocurra sea del orden de 10^-20.

Esta baja probabilidad es la que define la vida del sol y la nuestra. Si la probabilidad fuera mucho mayor, el hidrógeno ya se habría acabado y el sol habría muerto como mueren las estrellas; y si fuera mucho menor no recibiríamos la energía necesaria para que aquí se hubiera desarrollado la vida como nosotros la conocemos.

El efecto túnel también es el responsable de la desintegración de los núcleos atómicos, fenómeno que tiene lugar porque de ellos se van escapando núcleos de helio. Como ya hemos dicho, estos núcleos están formados por dos protones y dos neutrones. Su emisión constituye lo que se llama radiación alfa. Pero esto no es fácil, porque todos los protones y neutrones de los núcleos de los átomos están fuertemente atrapados en ellos por una fuerza denominada “fuerza fuerte”, que es una de las cuatro fuerzas que gobiernan el universo: fuerza fuerte, fuerza débil, fuerza electromagnética y fuerza debida a la gravedad.

Entonces, ¿cómo pueden escaparse? Por efecto túnel, burlando una barrera que supera entre dos y tres veces la energía de la propia partícula alfa. Recordando un poco lo que ya explicamos en otro artículo, la figura 1 ilustra esta situación. La línea roja es la barrera a superar, y la línea azul la solución que se obtiene al aplicar y resolver la ecuación de onda de Schrödinger. El cuadrado de los valores de la línea azul en un punto nos da la probabilidad de que la partícula alfa se encuentre en ese punto. En el eje horizontal se representan las distancias al centro del núcleo, siendo el punto S el correspndiente a su superficie.

Figura 1

No se puede olvidar que todo esto hay que interpretarlo en clave de probabilidades, y aquí hay para todos los gustos. La probabilidad de que una partícula alfa se encuentre dentro del núcleo que se está desintegrando puede ser infinitamente mayor que la de encontrarla fuera, razón por la cual la desintegración espontánea de algunos núcleos pesados capaces de desintegrarse sea extremadamente lenta. Un núcleo de uranio-238 tiene una vida media de casi 6.500 mil millones de años. En el extremo contrario, la vida media del neptunio-222 no llega a una millonésima de segundo. El llamado período de semidesintegración del carbono 14, es de 5730 más menos 40 años, pero su desintegración no se debe a la emisión de radiaciones alfa, sino a otra distinta que se denomina radiación beta, y su explicación no encaja en lo que hemos explicado.

Entre las muchas aplicaciones que utilizan el efecto túnel para su funcionamiento, una de las que llaman más la atención es el llamado microscopio de efecto túnel. Esta aplicación la pusieron a punto los físicos Gerd Binnig y Heinrich Rohrer en 1981 y por ello recibieron el premio Nobel de Física en 1986. Su principal utilización es la exploración de superficies, como indica el esquema de la figura 2.

Figura 2

Para ello se hace pasar una punta muy afilada de tungsteno o de oro sobre la superficie que se quiere explorar sin llegar a tocarla. Entre la punta y la superficie se hace el vacío y se aplica una pequeña diferencia de potencial, que no es suficiente para hacer circular una corriente eléctrica. En estas condiciones los electrones no circularán porque están atrapados por sus núcleos respectivos, y para escaparse tienen que saltar la barrera electrostática que ello supone, además del vacío existente entre la punta y la superficie, para lo cual la atracción del polo positivo de la pila no es suficiente. Sin embargo sí pueden saltar algunos electrones por efecto túnel, y es entonces cuando atraídos por el polo positivo de la pila se establece una pequeña corriente eléctrica, de cuyo análisis se deduce la distancia entre la punta y la superficie. Recorriendo la superficie manteniendo la distancia entre ella y la punta y registrando las intensidades se tiene un mapeado completo de la superficie que se desea estudiar. Su resolución lateral puede ser de 0,1 nm y su resolución en profundidad de 0,01 nm. Lo sorprendente de esta resolución es que permite presentarnos la rugosidad de la superficie a nivel atómico.