Aula11

11
AULA
A barreira de potencial:
casos E < V0 e E > V0
Meta da aula
Aplicar o formalismo quântico ao caso de uma partícula
que incide sobre uma barreira de potencial, em que a
energia potencial tem um valor 0 para x < 0 e para
x > a, e um valor V0 > 0 para 0 < x < a.
objetivos

Esperamos que, após esta aula, você seja capaz de:
• mostrar que, no caso de a energia E da partícula ser menor
do que a altura da barreira, existe a possibilidade de a
partícula atravessar a barreira (efeito túnel), em contraste
com o comportamento de uma partícula clássica;
• comprovar que, no caso de a energia E da partícula ser
maior do que a altura da barreira, existe a possibilidade de
a partícula ser refletida, o que também está em contraste
com as previsões clássicas;
• aplicar as regras da mecânica quântica para calcular as
probabilidades de reflexão e transmissão em cada caso.

Pré-requisitos
Para uma melhor compreensão desta aula, é importante
que você revise as Aulas 8 e 9 desta disciplina e, também,
os conceitos de reflexão e transmissão de ondas na
interface entre duas regiões com índices de refração
diferentes (Aula 6 de Física 4A).

Introdução à Mecânica Quântica | A barreira de potencial: casos E < V0 e E > V0

A BARREIRA DE POTENCIAL

Barreiras de potencial são muito comuns no dia-a-dia. Pense em
um carro de montanha-russa prestes a subir uma ladeira. Ele somente
chegará ao cume se tiver energia cinética suficiente para vencer a barreira
de energia potencial gravitacional imposta pela ladeira. Caso contrário,
será refletido pela barreira, movimentando-se no sentido oposto ao
inicial. Na Física Quântica, a transmissão e a reflexão de partículas por
barreiras de potencial são também muito importantes, sendo responsáveis
por diversos fenômenos interessantes e aplicações práticas.
Trataremos o caso de uma partícula quântica de massa m que
incide sobre uma barreira, definida pelo seguinte perfil de energia
potencial:

V (x) = 0, x < 0
(11.1)
V (x) = V0 , 0 < x < a
V (x) = 0, x>a

em que o valor de V0 é positivo. Esta barreira está mostrada na Figura
11.1. A energia potencial V0 define a altura da barreira e a distância
a define sua largura. Trata-se de um modelo bastante simplificado
para as barreiras reais, conhecido como “barreira retangular”.
No entanto, veremos que é possível extrair deste modelo simples todos
os comportamentos físicos mais relevantes, e que são comuns a todas
as barreiras de potencial existentes na natureza, com a vantagem de que a
barreira retangular apresenta uma simplicidade matemática muito maior.

V

E > V0
V0

E < V0

m

0 a x

Figura 11.1: Uma partícula quântica de massa m que incide sobre uma barreira de
potencial. A figura mostra os dois casos possíveis: E < V0 (energia menor que a altura
da barreira) e E > V0 (energia maior que a altura da barreira).

8 CEDERJ

MÓDULO 2
SOLUÇÃO DA EQUAÇÃO DE SCHRÖDINGER NAS REGIÕES

11
x<0Ex>a

AULA
Pelos mesmos argumentos utilizados para a partícula livre e para
o degrau de potencial, sabemos que não existe solução se a energia
total da partícula for negativa. Portanto, podemos considerar apenas a
situação em que E > 0. Nas regiões x < 0 e x > a, a partícula se movimenta
livremente, de modo que a solução geral da equação de Schrödinger
nessas duas regiões é dada por:

ψ (x) = Aeikx + Be − ikx , x < 0
ψ (x) = Ceikx + De − ikx , x > a (11.2)

em que A, B, C e D são constantes, em geral complexas, e, da mesma
forma que nas Aulas 8 e 9, o vetor de onda é k = 2mE h.
Também como nas Aulas 8 e 9, vamos considerar a situação em
que a partícula incide sobre a barreira de potencial pelo lado esquerdo,
como indicado na Figura 11.1. Nesse caso, do lado direito, não teremos
uma onda se propagando para a esquerda, e portanto D = 0 na Equação
(11.2). Como no caso do degrau de potencial, o coeficiente A representa
a amplitude da onda de probabilidade incidente, B a da refletida e C a da
transmitida, todas com o mesmo valor do vetor de onda k e, portanto,
o mesmo valor do comprimento de onda de de Broglie.
A densidade de corrente de probabilidade j será constante, como
em todos os casos estacionários, e terá como valor:

( 2
j = vg A − B
2
)=v g C ,
2
(11.3)

em que, como definido anteriormente, v g = hk / m é a velocidade da
partícula, ou velocidade de grupo. De forma análoga ao caso do degrau de
potencial, podemos definir os coeficientes de reflexão R e de transmissão
T como:
2 2
B C
R= , T= ,
A
2
A
2 (11.4)

em que foi utilizado o fato de vg ser a mesma do lado direito e do
esquerdo da barreira, diferentemente do que aconteceu no estudo
do degrau de potencial.

CEDERJ 9


Até agora, estudamos a solução da equação de Schrödinger nas
regiões x < 0 e x > a, e tudo que dissemos é válido tanto para o caso
da energia total da partícula ser menor do que a altura da barreira,
E < V0 , ou maior do que a mesma, E > V0. Para completar nosso estudo,
teremos de buscar as soluções também na região interna à barreira,
0 < x < a. Para tanto, será necessário considerar separadamente os casos
E < V0 e E > V0.
Antes de iniciarmos, vamos lembrar mais uma vez o que acontece
no domínio da Física Clássica, ou seja, para sistemas macroscópicos.
No primeiro caso (energia menor que a barreira), a partícula clássica
deveria ser simplesmente refletida pela barreira. Já no segundo caso
(energia maior que a barreira), a partícula clássica passaria sem
ser refletida, diminuindo sua energia cinética quando estivesse na
região da barreira, mas recuperando sua velocidade inicial depois de
atravessá-la. Mais uma vez, veremos que a Física Quântica nos leva a
resultados diferentes dos previstos classicamente.

SOLUÇÃO COMPLETA NO CASO 0 < E < V0

Lembrando que em 0 < x < a a energia potencial vale V(x) =
V0 e definindo, como na Aula 8, K = 2m (V0 − E ) / h , escrevemos a
solução da equação de Schrödinger na região da barreira:

ψ (x) = Fe Kx + Ge − Kx , 0 < x < a (11.5)

Combinando as Equações (11.2) e (11.5), podemos relacionar as
constantes A, B, C, F e G pelas condições de continuidade de ψ(x) e de
sua derivada nos pontos x = 0 e x = a. Para x = 0, encontramos:

A+B=F+G
ik(A – B) = K(F – G) . (11.6)

Já para x = a, temos:

Ceika = FeKa + Ge–Ka
ikCeika = K(FeKa – Ge–Ka) . (11.7)

10 CEDERJ

MÓDULO 2
Podemos eliminar F e G das Equações (11.6) e (11.7) e calcular

11
as relações B/A e C/A. O resultado, cuja obtenção sugerimos como

AULA
uma exercício opcional, nos leva aos seguintes coeficientes de reflexão
e transmissão:
−1
B 2 
4k2 K 2
R = 2 = 1 + 
A  ( k2 + K 2 )2 senh2 ( Ka ) 
 
−1
 ( k2 + K 2 )2 senh2 ( Ka ) 
2 . (11.8)
C
T = 2 = 1 + 
A  4k2 K 2 
 

ATIVIDADES

1. Verifique, a partir da Equação (11.8), que R + T = 1.

___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________

RESPOSTA COMENTADA

−1 −1
 a  b
Note que as expressões para R e T são da forma R = 1 +  e T = 1 + 
 b  a

em que, nesse caso em particular, a = 4k K e b = k + K
2 2
( 2
)
2 2
senh2 ( Ka ) .
Efetuando a soma de R e T, temos:

−1 −1
 a  b b a
R + T = 1 +  + 1 +  = + = 1.
 b  a a+b a+b

2. Mostre que, no limite em que Ka >> 1, o coeficiente de transmissão

16k2 K 2 −2 Ka
se simplifica: T = e .
( k2 + K 2 )
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________

CEDERJ 11


RESPOSTA COMENTADA

ex − e− x
Partindo da Equação (10.8) e usando o resultado senh(x) = ,
2
ex
de modo que lim senh (x) = , obtemos:
x→∞ 2
−1
 ( k2 + K 2 )2 e2 Ka 
16k2 K 2
T ≈ 1 +  ≈ e −2 Ka .


16k2 K 2 
 (k 2
+K )
2 2

Note, portanto, que o coeficiente de transmissão, nessas condições,
apresenta um decaimento exponencial com a largura da barreira.
Perceba a relação entre esse resultado e o decaimento exponencial da
probabilidade no degrau de potencial que discutimos na Aula 8 (veja a
Equação (8.14)).

Podemos, esquematicamente, mostrar a densidade de probabilidade
correspondente à função de onda definida pelas Equações (11.2) e (11.5).
O resultado pode ser visto na Figura 11.2. Na região à esquerda da barreira,
vêem-se as oscilações resultantes da interferência entre as ondas incidente
e refletida. Dentro da barreira, a densidade de probabilidade decai de
forma aproximadamente exponencial com a distância. Finalmente, na
região à esquerda, a densidade de probabilidade é constante, correspon-
dendo à onda transmitida que se propaga nessa região.

p

V0

0 a x

Figura 11.2: Densidade de probabilidade para uma partícula quântica incidente em
uma barreira de potencial, vinda da esquerda com energia E < V0.

12 CEDERJ

MÓDULO 2
O fato de o coeficiente de transmissão ter um valor diferente

11
de zero demonstra que uma partícula pode atravessar uma barreira de

AULA
potencial que seria completamente intransponível se prevalecesse o ponto
de vista da Mecânica Clássica! Esse fenômeno, que já foi mencionado no
estudo do degrau de potencial, é chamado de penetração de barreira, ou
efeito túnel, e aparece com frequência em vários ramos da Física, como
veremos na próxima aula.

SOLUÇÃO COMPLETA NO CASO E > V0

Neste caso, na região interna, a solução da equação de Schrödinger
é dada por

ψ (x) = Feik’ x + Ge − ik’ x , 0 < x < a, (11.9)

em que, como no estudo do degrau de potencial, k ’ = 2m ( E − V0 ) / h,
.
Repetindo o tratamento de impor a continuidade de ψ(x) e da sua derivada
nos pontos x = 0 e x = a, determinamos as constantes A, B, C, F e G.
Eliminando F e G, calculamos B/A e C/A e podemos, a partir deles, calcular
os coeficientes de reflexão e transmissão:

−1
 2 
B 4k2 k′2
R = 2 = 1 + 
A  ( k2 − k′2 )2 sen2 ( k′a ) 
 
−1
C ( k2 − k′2 )2 sen2 ( k′a ) 
2

T = 2 = 1 +  .
A  4k2 k′2  (11.10)
 

ATIVIDADE

3. Verifique que os valores de R e T da Equação (11.10) satisfazem
a relação de conservação da densidade de fluxo de probabilidade,
R + T = 1.

____________________________________________________________
____________________________________________________________

CEDERJ 13


RESPOSTA COMENTADA

−1
 a
As expressões para R e T no caso E > V0 também são da forma R = 1 +
 b
 
−1
 b
e T = 1 +  , exatamente como no caso E < V0 , de modo que a
 a

relação R + T = 1 fica automaticamente demonstrada.

A Equação (11.10) mostra que o coeficiente de transmissão T
é em geral menor do que 1, o que difere do resultado clássico em que
T = 1 quando E > V0. Em outras palavras, uma partícula quântica que
incide sobre uma barreira de potencial com uma energia maior que a
altura da barreira pode ser refletida! Por outro lado, vemos que T = 1
ocorre quando k’a = nπ, em que n é um número inteiro positivo. Assim, a
partícula é transmitida com 100% de probabilidade, quando a espessura
da barreira é igual a um múltiplo inteiro da metade do comprimento
de onda para a partícula dentro da barreira, λ’ = 2π/k’. Esse é um
fenômeno de interferência quântica análogo ao que acontece na ótica
ondulatória com lâminas de espessura igual a meio comprimento de onda
(ou múltiplos deste valor) da radiação eletromagnética incidente: toda
a radiação é transmitida nesse caso. Esse fenômeno está relacionado ao
efeito Ramsauer, que discutiremos futuramente.
A Figura 11.3 mostra a densidade de probabilidade no caso
E > V0. Note que, além do padrão de interferência entre as ondas
incidente e refletida na região x < 0 (que já aparecia no caso E < V0),
também surgem oscilações desse tipo na região da barreira, porém com
um comprimento de onda maior.

p

V0

0 a x

Figura 11.3: Densidade de probabilidade para uma partícula quântica incidente em
uma barreira de potencial, vinda da esquerda com energia E < V0.

14 CEDERJ

MÓDULO 2
Vale a pena verificar que, para E = V0 , as expressões (11.8) e

11
(11.10) coincidem, o que significa que o gráfico de R ou T como função

AULA
da energia é contínuo. Vamos verificar este resultado na Atividade 4.

ATIVIDADE

4. Mostre que, na situação limite E = V0 , tanto a Equação (11.8) como a
−1
 mV0 a2 
(11.10) levam a T =  1 + .
 2h2 

_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________

RESPOSTA COMENTADA

Partindo da Equação (11.8), observamos que o limite E = V0 corresponde
a K = 0. Assim, precisamos inicialmente tomar o limite:
2
 e Ka − e − Ka  2 .
lim senh2 (Ka) = lim   = (Ka)
Ka →0 Ka →0
 2 
Substituindo esse resultado na Equação (11.8) com K = 0, temos:

−1 −1 −1
 k4 K 2 a2   k2 a 2   mV0 a2 
T = 1 +  = 1 +  = 1 +  .
 4k2 K 2   4   2h2 

Partindo agora da Equação (11.10), o limite E = V0 corresponde agora
a k’ = 0. Sabendo também o limite lim sen2 (k′a) = (k′a)2 , obtemos o
k′a →0
valor limite para o coeficiente de transmissão:
−1 −1 −1
 k4 k′2 a2   k2 a 2   mV0 a2 
T = 1 +  = 1 +  = 1 +  .
 4k2 k′2   4   2h2 

mV0 a2
Observe que o número adimensional mede a opacidade da
2h2
barreira. Quanto maior esse número, menor será o fluxo de probabilidade
que atravessar a barreira. Perceba como é razoável que esse número seja
tanto maior quanto maior for a altura da barreira V0 , sua largura a e a
massa da partícula m.

CEDERJ 15


Na Figura 11.4, mostramos, de forma esquemática, o compor-
tamento dos coeficientes de transmissão e reflexão como função de
E/V0. Perceba a existência de probabilidade de transmissão para
E < V0 (tunelamento). Note ainda as oscilações no coeficiente de transmis-
são para E > V0 , dando T = 1 para alguns valores bem precisos de energia,
como discutimos anteriormente.
ReT
1
T

0,5

R
1 E / V0

Figura 11.4: Coeficientes de transmissão e reflexão de uma partícula quân-
mV0 a2
tica por uma barreira de potencial. Consideramos = 1 , o que dá um
2h2
coeficiente de transmissão igual a 0,5 quando E = V0 .

CONCLUSÃO

Vimos nesta aula, de maneira formal, como se comporta uma
partícula quântica que incide sobre uma barreira de potencial. Mas
nosso estudo desse assunto não termina aqui. Como dissemos, a Física
é rica em exemplos, e os fenômenos descritos aqui são importantes e
podem, inclusive, ser usados em aplicações práticas, como veremos na
próxima aula.

ATIVIDADES FINAIS

1. No caso considerado na Figura 11.4, ou seja, uma barreira de potencial
mV0 a2
em que = 1 , calcule os valores de E/V0 para os quais a probabilidade de
2h2
transmissão é igual a 1.

___________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________

16 CEDERJ

MÓDULO 2
11
RESPOSTA COMENTADA

Para que o coeficiente de transmissão seja igual a 1, a relação k′a = nπ deve

AULA
ser satisfeita. Como k′ = 2m ( E − V0 ) h , temos:

E n 2 π2 h 2
k′ = a 2m ( E − V0 ) h = nπ ⇒ = 1+ .
V0 2mV0 a2
mV0 a2
Usando a condição = 1 , obtemos:
2h2
E n 2 π2
= 1+ , em que n = 1, 2, 3 etc.
V0 4

2. (a) Calcule o coeficiente de transmissão para um elétron de energia total igual
a 2 eV, incidente sobre uma barreira de potencial de altura 4 eV e largura 10–10 m,
usando a Equação (11.8) e, depois, usando a fórmula aproximada demonstrada
na Atividade 2 desta aula. (b) Repita o cálculo para uma barreira com largura
de 10–9 m.

(Eisberg-Resnick, Problema 8, Capítulo 6).

____________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________

RESPOSTA COMENTADA

(a) Substituindo os valores numéricos nas fórmulas indicadas e lembrando que
a massa do elétron vale 9,1 × 10–31 kg, obtemos T = 62%, usando a Equação
(11.8), e T = 94%, usando a expressão aproximada obtida na Atividade 2. Note
que, nesse caso, a barreira é bastante estreita, de modo que a probabilidade
de tunelamento é alta. É por isso que não estamos no limite de validade da
expressão da Atividade 2 desta aula (decaimento exponencial).
(b) Já no caso de uma largura 10 vezes maior, o valor obtido com ambas
as fórmulas é de T = 2,02 × 10–6. Veja como esse aumento na largura da
distância causa uma redução drástica na probabilidade de tunelamento! Nesse
caso, a expressão aproximada obtida na Atividade 2 é certamente válida. Esse
exemplo tem conexões com o mecanismo de funcionamento do microscópio
de tunelamento, que discutiremos na próxima aula.

CEDERJ 17


Vamos agora explorar a barreira de potencial no site http://perg.phys.ksu.edu/vqm/
AVQM%20Website/WFEApplet.html
Selecione o modo Explorer no botão superior esquerdo (Mode). Escolha o número de
regiões do potencial (Number of Regions) igual a 3. Escolha a largura da região central
igual a 0,3 nm e o valor da energia potencial igual a 2,0 eV nessa região. Mantenha o
potencial nas duas outras regiões igual a zero. Escolha 1,5 eV para a energia da partícula,
assim você estará observando o efeito túnel. Selecione ainda as opções Connect from
right to left, Right eigenfunction: Cexp(ikx) + Dexp(-ikx) e os coeficientes C = 1 e D = 0.
Assim, estaremos simulando exatamente as situações descritas nesta aula. Outra opção
interessante é clicar em Run, para observar a evolução temporal da função de onda e
da densidade de probabilidade. Explore as diversas situações discutidas nesta aula.

RESUMO

Se uma partícula incide sobre uma barreira de potencial com energia menor ou
maior que a altura do degrau, ela pode ser refletida ou transmitida. A transmissão
no caso de energia menor que a barreira (efeito túnel) e a reflexão no caso de
energia maior que a barreira são situações não previstas pela Mecânica Clássica.
As probabilidades de transmissão e reflexão em cada caso são obtidas pelas leis
da Mecânica Quântica.

INFORMAÇÕES SOBRE A PRÓXIMA AULA

Na próxima aula, vamos explorar diversos exemplos e aplicações da barreira de
potencial, entre eles o microscópio de tunelamento, o diodo túnel, a emissão de
partículas alfa e a fusão nuclear.

18 CEDERJ

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