GUÍA DE LABORATORIO VIRTUAL FÍSICA 2

GUÍA DE LABORATORIO VIRTUAL                FÍSICA 2

GUÍA N°6: EFECTO TÚNEL

1. OBJETIVOS:

• Comprender el efecto túnel a través de una barrera de potencial de manera experimental.
• Determinar la dependencia de los coeficientes de transmisión y reflexión respecto del ancho de la barrera L..
• Determinar las características importantes para que ocurra el efecto túnel y reconocer la importancia de dicho fenómeno en los desarrollos o aplicaciones tecnológicas

1. FUNDAMENTO TEÓRICO:

1. El efecto túnel:  es un fenómeno cuántico por el que una partícula viola los principios de la mecánica clásica penetrando una barrera de potencial o impedancia mayor que la energía cinética de la propia partícula. Una barrera, en términos cuánticos aplicados al efecto túnel, se trata de una cualidad del estado energético de la materia análogo a una "colina" pendiente clásica, compuesta por crestas y flancos alternos, que sugiere que el camino más corto de un móvil entre dos o más flancos debe atravesar su correspondiente cresta intermedia. Si el objeto no dispone de energía mecánica suficiente como para atravesar la barrera, la mecánica clásica afirma que nunca podrá aparecer en un estado perteneciente al otro lado de la barrera.

1. El coeficiente de reflexión: es utilizado en física y en ingeniería cuando se consideran medios con discontinuidades en propagación de ondas. Un coeficiente de reflexión describe la amplitud (o la intensidad) de una onda reflejada respecto a la onda incidente.

1. El coeficiente de transmisión se utiliza en física y en Ingeniería cuando se consideran medios con discontinuidades en propagación de ondas. El coeficiente de transmisión describe la amplitud (o la intensidad) de una onda transmitida respecto a la onda incidente.

1. Barrera potencial

Cuantitativamente la probabilidad de tunelamiento, es decir que una partícula atraviese una barrera de potencia que tiene la forma que se muestra en la Figura 1, se describe a través de los coeficientes de transmisión (T) y reflexión (R).

[pic 1]

Figura 1. Forma de la energía potencial U para una barrer de potencial.

Interpretación cuántica del Coeficiente de transmisión (T) se define como la probabilidad de que la partícula penetre al otro lado de la barrera.

Interpretación cuántica del Coeficiente de reflexión (R) como la probabilidad de que la partícula sea reflejada por la barrera. No obstante, la suma de estos dos coeficientes da la probabilidad total de encontrar la partícula T+R=1.

Para calcular el coeficiente de transmisión, se debe analizar si la energía potencia de la barrera (U) es mayor que la energía de la partícula (E) y viceversa, por lo cual existen dos casos para obtener dicho parámetro así:

CASO I: U > E

                                                (1)[pic 2]

Donde:                                                 (1.1)[pic 3]

CASO II: U<E

                                                (2)[pic 4]

Donde:                                                 (2.1)[pic 5]

                                                                 (3)[pic 6]

1. MATERIALES Y EQUIPOS VIRTUALES:

• Calculadora
• Laboratorio virtual
• Dispositivos electrónicos (PC, Tablet, celular, etc)

1. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Ingresar al laboratorio Paquetes de ondas y túneles cuánticos mediante el enlace https: https://phet.colorado.edu/sims/cheerpj/quantum-tunneling/latest/quantum-tunneling.html?simulation=quantum-tunneling

[pic 7]

Figura Nº2: Imagen de simulación Phet de barrera potencial y efecto túnel.

• En la simulación se observa tres diagramas de Energía (eV), Función de onda y Densidad de probabilidad vs Posición, donde variaremos el ancho de la barrera potencial (L), medida en nanómetros (nm), teniendo la opción de configurar las condiciones energéticas como: la energía promedio total de electrón (E), la energía Potencial lado izquierdo, centro y derecho de la barrera potencial (V1 , V2 , V3) en las regiones respectivas tal como se muestra en la Figura 3.

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Figura 3: Esquema de la barrera potencial.

• Elegimos un ancho de barra (L) de 1 nm como inicio y luego alternando con una diferencia de 1 nm (2, 3, 4, 5, 6, 7), la energía potencial de la barrera (U) y del electrón (E) para los dos casos: U<E y U>E.
• Anotar en la Tabla N° 01 los datos recolectados del simulador para los coeficientes de Transmisión y reflexión en cada caso respectivamente.

1. DATOS EXPERIMENTALES

1. Datos recolectados de los Coeficientes de Transmisión y reflexión

Tomar 7 datos experimentales del ancho L y los coeficientes de Transmisión T y reflexión R.

Tabla Nº1: Datos experimentales recolectados para los casos 1 y 2.

1. Procesamiento de datos: Cálculo de coeficientes de transmisión y reflexión teórica y Error porcentual.

• Tomar nota de las condiciones iniciales del fenómeno; la energía del electrón (E), potencial de la barrera (U) la constante k para cada uno de los casos, haciendo uso de las ecuaciones (1), (1.1), (2), (2.1) y (3).

Tabla 2: Datos procesados de R y T teóricos y discrepancia porcentual del experimento

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