المپياد جهاني فيزيك
 پيوندهاي المپياد فيزيك
 
 ديدن اتم‌ها (زنگ تفريح شماره‌ي 84)
ديدن اتم‌ها (زنگ تفريح شماره‌ي 84)زنگ تفريح فيزيك
اثر تونل زني

ديدن اتم‌ها
اثر تونل زني
(Tunneling Effect)





اشاره

آن‌چه با عنوان «چكيده» در اول مسابقه‌ها و زنگ تفريح‌ها مشاهده مي‌كنيد صرفاً مخصوص معلمان، مربيان، كارشناسان محترم آموزشي و ساير علاقه‌مندان است.



چكيده



اهداف آموزشي
 اهداف آموزشي در حوزه‌ي شناختي – دانش
    - «دانش امور جزوي» > «دانش واقعيت‌هاي مشخص»
    - «دانش راه‌ها و وسايل برخورد با امور جزوي» > «دانش روش‌ها يا روش‌شناسي»
    - «دانش امور كلي و مسائل انتزاعي» > «دانش‌ نظريه‌ها و ساخت‌ها»
    - «دانش امور كلي و مسائل انتزاعي» > «اصل‌ها و تعميم‌ها»
 اهداف آموزشي در حوزه‌ي شناختي - توانايي‌ها و مهارت‌هاي ذهني
    - «فهميدن» > «ترجمه» > «تفسير»   
    - «فهميدن» > «ترجمه» > «درون‌يابي»
    - «فهميدن» > «ترجمه» > «برون‌يابي»
    - «فهميدن» > «ترجمه» > «تحليل عناصر»
    - «فهميدن» > «ترجمه» > «كاربستن»
    - «فهميدن» > «ترجمه» > «تحليل اصول سازماني»
    - «فهميدن» > «ترجمه» > «تركيب»
    - «فهميدن» > «ترجمه» > «ارزش‌يابي»
 طبقه‌بندي اهداف آموزشي در حوزه‌ي عاطفي
    - «آگاهي»     
  نتايج مورد نظر 
    -  مكانيك كوانتمي > چاه پتانسيل
    -  مكانيك كوانتمي > اثر تونل‌زني
    -  مكانيك كوانتمي > حصار كوانتمي
    - اندازه‌گيري در ابعاد ريز
    - آشنايي با STM
    -
  محتواي آموزشي (سرفصل‌هاي المپياد جهاني)
    - مكانيك كوانتمي > چاه پتانسيل
    - مكانيك كوانتمي > اثر تونل‌زني
    - اندازه‌گيري 

مقدمه
در اين زنگ تفريح به موضوعي جالب اشاره مي‌شود كه نه‌تنها يكي از موارد مورد نقص مكانيك كلاسيك بوده بلكه كاربردهاي فراواني در فناوري و صنعت دارد. «اثر تونل زني» محور اصلي اين مطلب است كه در اينجا به يكي از كاربردهاي  جالب آن اشاره مي‌شود. قبل از  مطلب به اين اصطلاح اشاره مي‌كنيم و در پيوستي كه به‌زودي در همين بخش ارائه مي‌شود،‌ براي علاقه‌مندان توضيح فني (فيزيكي) آن را مي‌آوريم. در اينجا نيازي به دانش خاصي نداريد ولي توضيح‌هاي تكميلي براي همه‌ي علاقه‌مندان مفيد خواهد بود.
در مكانيك كوانتمي اصطلاحي داريم به نام «سد پتانسيل» يعني وقتي معادله‌ي موج را حل مي‌كنيم جوابي براي تابع موج به‌دست خواهيم آورد. اين تابع موج دو ظريب به نام‌هاي بازتابي و گذري دارد. مسأ‌له اين‌جاست كه وقتي ذره يا موجي با انرژي كم‌تر از پتانسيل روبرو شود نمي‌تواند كار انجام داده يا به عبارت دقيق‌تر با انرژي جنبشي ‌كم‌تر از پتانسيل سيستم فيزيكي كه با آن روبرو مي‌شود،‌ مطابق قوانين كلاسيك به اندازه‌ي اختلاف انرژي جنبشي و پتانسيل انرژي براي انجام كار كم دارد.
پس درست مثل اين‌‌كه شما قادر به انجام تكان دادن يك جعبه‌ي بزرگ نباشيد،‌ چون انرژي كافي براي آن نداريد اين‌جا هم نبايد بتوانيد كاري انجام دهيد.
ولي در مكانيك كوانتمي مي‌توانيد!! البته همان‌طور كه از نام‌اش هم پيداست،‌ فقط در ابعاد كوانتمي اين پديده اتفاق مي‌افتد. كساني كه با فيزيك كوانتم  آشنا هستند، مي‌دانند تناقض‌هاي بسياري در ابعاد ريز وجود دارد. «اثر تونل زني» يكي از اين موارد است. درجاي خود به اين مطلب اشاره مي‌كنيم.



ديدن اتم‌ها به چه معناست؟

فرض كنيد داريد سعي مي‌كنيد از قوي‌ترين ميكروسكوپ اُپتيكي براي ديدن يك اتم استفاده مي‌كنيد. اتفاقي مي‌افتد؟ احتمالاً نور بازتابي از اتم‌ها را در ميكروسكوپ مي‌بينيد. نور خاصيت موجي دارد،‌ بنابراين امواج نوري را فرض كنيد كه اتم را روشن مي‌كنند. امواج نور مرئي حدود ده هزار برابر طول‌موج يك اتم را دارند.

براي اينكه كمكي به تصور اين مطلب كرده باشيم، مثال معروفي را درباره‌ي امواج آب در نزديكي ساحل مي‌زنيم كه روي هم سوار مي‌شوند و تا ساحل مي‌لغزند. امواج بدون اينكه تأثيري بر روي شما داشته باشند، مي‌گذرند. انرژي امواج به سختي بازگشت‌پذير مي‌شود؛ به اين دليل است كه اندازه‌ي بدن شما بسيار كم‌تر از طول‌موج امواج است. اگر كنار ساحل نبوديد، امواج به حركت خود ادامه مي‌دادند، و در نتيجه امواج برگشتي آب حضور شخص در آب را گويي حس نكرده است!


طول‌موج نور مرئي حدود 6-10 متر (يا 1000 نانومتر) است. اندازه‌ي يك اتم حدود 10-10 متر استاست كه خود 10000 برابر كم‌تر از طول‌موج مرئي است. وقتي يك اتم كوچك‌تر از طول‌موج اتم‌ مرئي است، اين ميزان آن‌قدر كم‌تر از نور هست كه مانعي براي مسير نور باشد. در نتيجه اتم در يك ميكروسكوپ اُپتيكي ديده نمي‌شود.

ولي تابش راديويي يا طول‌موج كوتاه‌تر چطور؟ طول‌موج‌هاي پرتو ايكس تقريباً برابر اندازه‌ي اتم‌ است، ولي بازتاب‌هاي پرتو‌‌هاي ايكس از ماده الگويي نقطه نقطه توليد مي‌كند كه شكل آن بستگي به آرايش اتم‌ها دارد. تحليل اين الگو‌ها اطلاعات مهمي درباره‌ي بلورها به‌دست مي‌دهد،‌ولي تصاوير پرتو ايكس يك اتم‌ها را نمي‌توانند نشان دهند.

بهترين راه براي تصويربرداري از اتم‌ها ابزاري است به ‌نام «ميكروسكوپ اسكن تونل زني» (Scanning Tunneling Microscope). اين ابزار براساس يكي از اثرات كاملاً كوانتم مكانيكي معادل با آبي است كه از كناره‌ي ليوان سرريز مي‌شود. اگر يك سوزن كوچك در حدود 9-10 متر به سطحي فلزي برخورد كند، جريان الكتريكي به دليل اثر تونل‌زني ايجاد مي‌كند. مقدار اين جريان بستگي به جدايي سوزن و اتم و نيز كاهش جدايي به جاي افزايش دارد(شكل 1).

شكل 1- شمايه‌اي كلي از دستگاه STM (ميكروسكوپ اسكن تونل‌زني). 
براي ديدن تصاوير بيش‌تر اينجا را كليك كنيد.
 

يك سيستم كنترل خودكار براساس اين جريان توليد مي‌شود كه جزييات نقشه‌ي سطح را نشان مي‌دهد. اگر جريان وارد فلز ‌شود، سوزن به سمت اتم‌هاي ديگر حركت مي‌كند تا جريان را به‌سمت بالا برگرداند و برعكس. با رديابي حركت سوزن تصويري از سطح مي‌سازد كه دقيقاً به اندازه‌ي تك اتم‌ها هستند.

شكل2 - نماي ديگري از 48 حصار
كوانتمي آهن (IBM)

در تصوير چيزي به‌نام «حصار كوانتمي» (Quantum Corral) مي‌بينيد. حلقه‌اي از 48 اتم‌ آهن را مي‌بينيد كه الكترون‌ها حصاري درست كردند. در شكل منطقه‌ي آبي درون حلقه مانع از فرار الكترون‌ها مي‌شود. مناطق موجي شكل درون حلقه ويژگي‌هاي موجي الكترون‌ها را نشان مي‌دهند.

چگونه اتم را حركت مي‌دهيد؟ اگر جريان برقرار باشد، زماني كه اتم‌ به نوك سوزن مي‌چسبد.‌ وقتي اتم در محل مطلوب قرار دارد،‌جريان برعكس مي‌شود و روي سطح باقي مي‌ماند. تصوير حصار كوانتمي را نشان مي‌دهد كه كنار هم قرار گرفته‌اند.

شكل 3 - شكل‌گيري جالب يك حصار كوانتمي
از 48 اتم آهن
(IBM) 

اين تكنيك نوع جديدي از پژوهش را در شيمي نيز فراهم آورده است؛ به اين صورت كه اندركنش‌هاي شيميايي با جزييات بسيار دقيق مورد بررسي قرار مي‌گيرند. در اين روش اتم‌ها به هم نزديك مي‌شوند تا يك مولكول تشكيل دهند. بعد از اندركنش شيميايي مولكول‌ها روي سطح قرار مي‌گيرند و ديدن آن با ميكروسكوپ‌هاي اسكن تونل‌زني ميسر مي‌شود.

1387/6/13لينک مستقيم

فرستنده :
محمد HyperLink HyperLink 1388/7/22
مـتـن : خوب بود فقط لطفا بافنت درشت تری بنویسید!
تشکر!
پاسـخ : محمد عزيز
ممنون از نظرت. در مورد فونت ما مجبوريم از يك روال معين در تمام بخشهاي مرتبط تبعيت كنيم. البته علت هم داره. حتي با اين فونت هم مجبوريم مطالب رو بسيار كوتاه كنيم تا صفحه طولاني نشه.

نظر شما پس از تاييد در سايت قرار داده خواهد شد
نام :
پست الکترونيکي :
صفحه شخصي :
نظر:
تاییدانصراف
 
 المپياد فيزيك

 

     

 

 

صفحه‌ي اصلي

     

 

راهنماي سايت

     

 

 

آموزش

     

 

بانك سوال

     

 

 

مسابقه

     

 

 

زنگ تفريح

     

 

 

مصاحبه و گزارش

     

 

 

معرفي كتاب

     

 

 

مشاوره

     

 

 

پرسش‌و‌پاسخ‌علمي

     

 

اخبار

 

فعاليت‌هاي علمي

 سايت‌هاي المپياد فيزيك
 بازديدها
كاربران غيرعضو آنلاينكاربران غيرعضو آنلاين:  1160
 كاربران عضو آنلاين:  0
  کل كاربران آنلاين:  1160