Waterstofatoom en tunnelings effect van alfaverval

Mieke stelde deze vraag op 09 oktober 2016 om 21:49.

Hoi!
Ik heb twee vragen over de quantumwereld.
1. Alfaverval is te verklaren met een model op basis van tunneling en de kans is groter dat een alfadeeltje naar de andere kant van tunnelt wanneer de barriere lager is. Maar wanneer ik kijk naar de golffunctie hiervan: (de onderste)

Dan begrijp ik niet waarom er geen verschil in hoogte aan de linkerkant van de golffunctie aan de linkerkant te zien is. Aangezien er elektronen zijn die tegen de wand aan botsen en terug gaan, maar er ook elektronen doorheen gaan. Dan zal er toch een verschil in kans dat een elektron daar aanwezig is te zien moeten zijn?
2. In de formule En= -13.6/n^2 is de energie van de n-toestand van het waterstofatoom dus negatief. Waarom is deze waarde negatief? Hoe moet ik mij dit voorstellen?

Als er iets onduidelijk is hoor ik het graag!
En alvast bedankt!
Groetjes,

Mieke 

Reacties

Theo de Klerk op 09 oktober 2016 om 22:57
1) De grafiek deugt niet. De Leidse Universiteit begaat hier een fout.
De kansfunctie heeft een evenwichtsstand met kans 0 waar het als sinusfunctie omheen slingert.
Die evenwichtsstand wordt vaak op een energiehoogte getekend zoals hier ook. Feitelijk worden twee grafieken, voor de meeste verwarrend, over elkaar afgebeeld. Er is
- een energieplaatje (een horizontale lijn met E=kinetische energie) en
- een kansplaatje (Schrödinger golffunctie) als sinusgolf.
De 0-lijn hiervan wordt vaak op de E lijn gelegd. Waarmee de verwarring begint.

De energie van het deeltje links of rechts van de barrière blijft gelijk. Dus de evenwichtslijn links moet evenhoog blijven rechts van de barrière. En ja - meer boeken, incl. "samengevat" tekenen dat fout.

Bij een hele lange barrière zal binnen de barrière de kansfunctie exponentieel afnemen...naar 0. Dus samenvallen met de evenwichtsstand (die hier samenvalt met de energiewaarde). De figuur is hier fout want de e-macht zakt door de evenwichtsstand heen. 

Als de barrière kort genoeg is zal de e-macht nog niet nul zijn en is de waarde waarbij hij "uit de barrière komt" de nieuwe amplitude voor de kans-sinusgolf buiten de barrière. Diens evenwichtstand ligt dus even hoog als van de kansfunctie links van de barrière. Maar met veel kleinere amplitude.

Of er iets gaat tunnelen hangt dus af van het feit of de Schrödingervergelijking binnen de barrière als e-macht vrijwel nul wordt of niet. De onzekerheidsrelatie van Heisenberg in de vorm ΔE.Δt > h/(4π) is hierbij een indicatie: als de onzekerheid in energie groter is dan wat nodig is om boven de barrière te komen dan kan het binnen een tijdsbestek van Δt aan de andere kant komen. Bij te weinig snelheid (energie) lukt dit niet.

2) Het minteken is een afspraak omdat we zeggen dat er +13,6 eV nodig is om een elektron uit zijn n=1 orbitaal te verwijderen. De energie wordt 0 gesteld in het oneindige. Omdat + en - ladingen elkaar aantrekken en de elektrische energie dan afneemt, betekent dit dat het minder dan nul wordt, dus negatief.
Theo de Klerk op 10 oktober 2016 om 12:18
De volgende vergelijking gaat wel niet helemaal op, maar misschien dat bijgaande tekening in elk geval het "tunnelen" meer in perspectief zet. Want het woord doet al snel denken dat door een muur gelopen wordt en dat is niet zo. Het tunnel-effect zegt dat een deeltje ergens komt waar het niet wordt geacht te zijn. Met potentiaalputten betekent dit dat je op een positie x komt waar de (energie)potentiaal zo hoog is dat je met je kinetische energie er klassiek niet kan komen. Die positie is niet "hoger" of "lager".

Vergelijk het met drie honden die aan een uitrekbare veerriem aan een paal vast zitten. Elke hond kan probleemloos lopen in het groene gebied (de veerriem rekt "gewoon" uit indien nodig: de kracht die de hond levert rekt hem op: bruine hond).

Als de hond harder trekt, dan zal de veerriem verder uitrekken. Misschien is de trekkracht van de hond wel groter dan we aannamen (onzekerheid) en kan de hond zelfs in het grijze gebied komen waar we dat niet verwachtten. De hond "tunnelt" in het grijze gebied. Maar heeft onvoldoende trekkracht om de veerriem te breken en komt dus niet verder en kan hooguit terug vanuit het grijze gebied naar het groene.

Als de hond onverwacht sterk is (grote onzekerheid in zijn kracht) dan zou de veerriem wel eens kunnen knappen en kan de hond ontsnappen: hij "tunnelt" door het grijze gebied naar het vrije blauwe gebied en rent weg.

Op de zijwand is de grafiek van de kracht getekend die door de veerriem wordt opgewekt als je verder uit het midden komt. Tot aan de groene cirkelrand neemt die toe (F = C.u) maar daarbuiten neemt die meer dan lineair toe, vervormd en breekt uiteindelijk (waarna kracht 0 wordt).

Bij een potentiaalput en quantum deeltjes is de "put" geen kracht maar energie en neemt die tot de groene cirkelrand niet toe maar blijft 0. Daarna gaat de potentiaal stijl omhoog (eventueel oneindig hoog - maar dan is er nooit een tunneleffect) zodat alleen een deeltje met voldoende energie (kinetische energie + onbepaaldheid erin > potentiaal) naar het grijze of blauwe gebied kan ontsnappen (tunnelen). Daarbij gaat het deeltje dus niet omhoog of omlaag - het beweegt van links naar rechts (of andersom).

Plaats een reactie

+ Bijlage

Bevestig dat je geen robot bent door de volgende vraag te beantwoorden.

Roos heeft negenentwintig appels. Ze eet er eentje op. Hoeveel appels heeft Roos nu over?

Antwoord: (vul een getal in)