Exercícios Resolvidos de Degrau e Tunelamento

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Enunciado

Prótons de 3,0   M e V incidem em uma barreira de energia potencial de 10   f m de espessura e 10   M e V de altura. Determine:

  1. O coeficiente de transmissão T.
  2. A energia cinética K t dos prótons que atravessam a barreira por efeito túnel.
  3. A energia cinética K r dos prótons que são refletidos pela barreira.
  4. Dêuterons (partículas com a mesma carga que o próton e uma massa duas vezes maior) de 3,0   M e V incidem na mesma barreira.

    Determine os valores de:

  5. T
  6. K t
  7. K r

Para esse caso.

Dado:

Massa do próton m p = 1,673 ∙ 10 - 27 K g

A conversão de femtometro pra metro é 1   f m = 10 - 15 m

Passo 1

Letra a)

O coeficiente de transmissão é dado por:

T ≅ e - 2 b L

Onde

b = 8 π 2 m U b - E h 2

Temos:

  • m p = 1,673 ∙ 10 - 27 K g
  • h = 6,626 ∙ 10 - 34   J ∙ s
  • U b - E = 10 - 3 = 7   M e V = 11,214 ∙ 10 - 13   J

Substituindo em b :

b = 8 π 2 ∙ ( 1,673 ∙ 10 - 27 ) ∙ 11,214 ∙ 10 - 13 ( 6,626 ∙ 10 - 34 ) 2 ≅ 5,8086 ∙ 10 14   m - 1

Como L = 10   f m = 10 ∙ 10 - 15 m = 10 - 14   m ficamos com:

- 2 b L = - 11,617

T ≅ e - 2 b L ≅ 9,0097 ∙ 10 - 6

Passo 2

Letra b e Letra c)

A energia é conservada tanto na transmissão do próton quanto na sua reflexão.

Como o próton incidente tem uma energia de 3,0   M e V com uma energia potencial U = 0 , toda sua energia é cinética.

K i = E = 3,0   M e V

Como a energia é conservada, o próton que atravessa a barreira terá a mesma energia total, de novo com energia potencial zero.

K t = 3,0   M e V

Assim como o próton que é refletido pela barreira.

K r = 3,0   M e V

Passo 3

Letra d)

O dêuteron tem duas vezes a massa do próton mas com mesma energia. Isso irá alterar apenas o valor de b .

b ' = 8 π 2 2 m U b - E h 2 = 2 ∙ 8 π 2 m U b - E h 2 = 2 ∙ 8 π 2 m U b - E h 2 = 2 ∙ b

b ' ≅ 8,2146 ∙ 10 14   m - 1

- 2 b ' L = - 16,429

Substituindo no coeficiente de transmissão:

T ≅ e - 2 b ' L ≅ 7,326 ∙ 10 - 8

Passo 4

Letra e) e Letra f)

Novamente, a energia mecânica do dêuteron é conservada.

Assim, a energia total do dêuteron transmitido e do dêuteron refletido será igual a energia do incidente:

E = 3,0   M e V

Como em ambos os casos a energia potencial é zero, então a energia total corresponde à energia cinética.

K t = 3,0   M e V

K r = 3,0   M e V

Resposta

Letra a)

T ≅ 9,0097 ∙ 10 - 6

Letra b)

K t = 3,0   M e V

Letra c)

K r = 3,0   M e V

Letra d)

T ≅ 7,326 ∙ 10 - 8

Letra e)

K t = 3,0   M e V

Letra f)

K r = 3,0   M e V

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