Tunneleffekt

In der Quantenphysik können Teilchen eine energetische Barriere überqueren, obwohl sie dafür zu wenig Energie haben. Dies ist wieder ein Phänomen, das es in der klassischen Physik nicht gibt.
In der klassischen Physik ist es klar: hat ein Teilchen zu wenig Energie, um eine Energiebarriere (zum Beispiel eine Mauer) zu überqueren, kann es das auch nicht. In der Quantenphysik beschreibt die Wellenfunktion die Wahrscheinlichkeit, wo sich das Teilchen befinden könnte. Diese Wellenfunktion kann in die Barriere hineinreichen und auf der anderen Seite eine Wahrscheinlichkeit haben, die nicht gleich Null ist. Das bedeutet: Es besteht eine gewisse Chance, dass das Teilchen die Barriere "durchtunnelt", selbst wenn seine Energie geringer ist als die Höhe der Barriere. Diese Wahrscheinlichkeit hängt von der Höhe und Dicke der Barriere ab.

Der Tunneleffekt wird in vielen elektronischen Bauteilchen (Tunnel Diode) oder beim Rastertunnel Mikroskop genutzt und liefert die Erklärung für den Alpha-Zerfall. Er ist aber auch Voraussetzung dafür, dass sich Kerne in der Sonne so nahe kommen können, dass der Fusionsprozess stattfinden kann, ohne Tunneln würde die Sonne nicht leuchten!.

Im Alltag ist es unvorstellbar, dass eine Kugel, die nicht genug Energie hat, um über einen Hügel zu rollen, trotzdem auf der anderen Seite ankommt. Quantenobjekte aber können mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit durch eine Barriere hindurch tunneln.

Beispiel: Ein Elektron, das mit einer Spannung von 0.01 Volt beschleunigt wird und auf eine Barriere der Zehnfachen Energie trifft, welche 0.5 nm breit ist, hat eine Wahrscheinlichkeit von 34% um die Barriere zu überwinden. Der Pingpong Ball, der sich mit 1 m/s bewegt kann auf einer Höhe von 5 cm fliegen. Die Wahrscheinlichkeit dass der Ball eine 10 cm breite, 50 cm hohe Barriere mit dem Tunneleffekt überwindet ist eine Zahl mit 10³⁰ Nullen nach dem Komma. Die Wahrscheinlichkeit, dass der Pingpong Ball durch eine thermische Fluktuation in der Luft genügend Energie erhält um die Barriere zu überwinden ist viel wahrscheinlicher (10²⁰ Nullen), aber beides wird nie passieren.

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Tunneleffekt: in der klassischen Physik kann ein Ball nur über die Mauer kommen, wenn er genug Energie  hat (grüner Ball), sonst wird er reflektiert (gelb). In der Quantenmechanik hat der Ball eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass er auf die andere Seite ‚tunneln‘ kann.
Bild: Ruth Bründler, UZH

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Ein Rastertunnelmikroskop (RTM, englisch scanning tunneling microscope, STM) nutzt den Tunneleffekt, um die Oberflächenstruktur von Materialien auf atomarer Ebene abzubilden. Dazu wird eine extrem feine Spitze in der Nähe der Probenoberfläche positioniert. Wird eine elektrische Spannung zwischen der Spitze und der Oberfläche angelegt fliesst ein winziger Tunnelstrom sofern der Abstand klein genug ist. Dieser Strom hängt exponentiell vom Abstand ab, sodass durch das Abtasten der Oberfläche die atomare Topografie präzise rekonstruiert werden kann.

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Caption: Schematische Darstellung eines Rastertunnelmikroskops, Michael Schmid and Grzegorz Pietrzak, CC BY-SA 2.0 AT https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/at/deed.en via Wikimedia Commons href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Rastertunnelmikroskop-schema.svg

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