Poço potencial - Potential well

Um poço de energia potencial genérico.

Um poço potencial é a região em torno de um mínimo local de energia potencial . A energia capturada em um poço de potencial não pode ser convertida em outro tipo de energia (energia cinética no caso de um poço de potencial gravitacional ) porque é capturada no mínimo local de um poço de potencial. Portanto, um corpo não pode prosseguir para o mínimo global de energia potencial, como naturalmente tenderia devido à entropia .

Visão geral

A energia pode ser liberada de um poço potencial se energia suficiente for adicionada ao sistema de forma que o máximo local seja superado. Na física quântica , a energia potencial pode escapar de um poço de potencial sem energia adicionada devido às características probabilísticas das partículas quânticas ; nesses casos, uma partícula pode ser imaginada como um túnel através das paredes de um poço potencial.

O gráfico de uma função de energia potencial 2D é uma superfície de energia potencial que pode ser imaginada como a superfície da Terra em uma paisagem de colinas e vales. Então, um poço potencial seria um vale cercado por todos os lados com terreno mais alto, que assim poderia ser preenchido com água (por exemplo, ser um lago ) sem que nenhuma água fluísse em direção a outro mínimo inferior (por exemplo, nível do mar ).

No caso da gravidade , a região em torno de uma massa é um poço de potencial gravitacional, a menos que a densidade da massa seja tão baixa que as forças de maré de outras massas sejam maiores do que a gravidade do próprio corpo.

Uma colina potencial é o oposto de um poço potencial e é a região que circunda um máximo local .

Confinamento quântico

O confinamento quântico é responsável pelo aumento da diferença de energia entre os estados de energia e o gap, fenômeno fortemente relacionado às propriedades óticas e eletrônicas dos materiais.

O confinamento quântico pode ser observado uma vez que o diâmetro de um material é da mesma magnitude que o comprimento de onda de de Broglie da função de onda do elétron . Quando os materiais são tão pequenos, suas propriedades eletrônicas e ópticas divergem substancialmente daquelas dos materiais a granel.

Uma partícula se comporta como se fosse livre quando a dimensão confinante é grande em comparação com o comprimento de onda da partícula. Durante este estado, o bandgap permanece em sua energia original devido a um estado de energia contínua. No entanto, conforme a dimensão confinante diminui e atinge um certo limite, normalmente em nanoescala, o espectro de energia torna-se discreto . Como resultado, o bandgap torna-se dependente do tamanho. À medida que o tamanho das partículas diminui, os elétrons e buracos de elétrons se aproximam e a energia necessária para ativá-los aumenta, o que acaba resultando em um desvio para o azul na emissão de luz .

Especificamente, o efeito descreve o fenômeno resultante de elétrons e buracos de elétrons sendo comprimidos em uma dimensão que se aproxima de uma medição quântica crítica , chamada de raio de exciton de Bohr . Na aplicação atual, um ponto quântico como uma pequena esfera confina em três dimensões, um fio quântico confina em duas dimensões e um poço quântico confina em apenas uma dimensão. Também são conhecidos como poços de potencial zero, unidimensionais e bidimensionais, respectivamente. Nestes casos, eles se referem ao número de dimensões nas quais uma partícula confinada pode atuar como um portador livre. Veja links externos , abaixo, para exemplos de aplicação em biotecnologia e tecnologia de células solares.

Visão da mecânica quântica

Veja também: Partícula em uma caixa

As propriedades eletrônicas e ópticas dos materiais são afetadas pelo tamanho e forma. Conquistas técnicas bem estabelecidas, incluindo pontos quânticos, foram derivadas da manipulação de tamanho e investigação para sua corroboração teórica sobre o efeito de confinamento quântico. A maior parte da teoria é que o comportamento do exciton se assemelha ao de um átomo à medida que seu espaço circundante diminui. Uma boa aproximação do comportamento de um exciton é o modelo 3-D de uma partícula em uma caixa . A solução desse problema fornece uma única conexão matemática entre os estados de energia e a dimensão do espaço. Diminuindo o volume ou as dimensões do espaço disponível, aumenta a energia dos estados. Mostrado no diagrama está a mudança no nível de energia do elétron e o intervalo entre o nanomaterial e seu estado em massa.

A seguinte equação mostra a relação entre o nível de energia e o espaçamento da dimensão:

Os resultados da pesquisa fornecem uma explicação alternativa da mudança de propriedades em nanoescala. Na fase de massa, as superfícies parecem controlar algumas das propriedades observadas macroscopicamente. No entanto, nas nanopartículas , as moléculas de superfície não obedecem à configuração esperada no espaço. Como resultado, a tensão superficial muda tremendamente.

Visão de mecânica clássica

A explicação mecânica clássica emprega a lei de Young-Laplace para fornecer evidências de como a queda de pressão avança de escala em escala.

A equação de Young-Laplace pode fornecer um pano de fundo sobre a investigação da escala de forças aplicadas às moléculas de superfície:

Assumindo a forma esférica e resolvendo a equação de Young – Laplace para os novos raios (nm), estimamos o novo (GPa). Quanto menor o raio, maior é a pressão presente. O aumento da pressão em nanoescala resulta em fortes forças em direção ao interior da partícula. Consequentemente, a estrutura molecular da partícula parece ser diferente do modo em massa, especialmente na superfície. Essas anormalidades na superfície são responsáveis ​​por mudanças nas interações interatômicas e no bandgap .

Veja também

Referências

links externos