Lexikon: Tunneleffekt

 

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Dieser Artikel erklärt den quantenmechanischen Tunneleffekt. Für andere Bedeutungen siehe Tunneleffekt (Begriffsklärung).

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Der Tunneleffekt bezeichnet den Quantenmechanik|quantenmechanischen Effekt, der den Teilchen die Überwindung endlicher Barrieren (endlich hohe Energiebarrieren und räumlich endlich breite Barrieren) erlaubt, die nach den Vorstellungen der klassischen für diese Teilchen unüberwindbar wären: im Rahmen der Heisenbergsche Unschärferelation|Heisenbergschen Unschärferelation ist das Teilchen so ausgedehnt, dass es bei der Reflexion (das Teilchen kann nicht dauerhaft in einem energetisch verbotenen Bereich bleiben) am Potential zum Teil in dieses eindringt. Ist die ansonsten unüberwindliche Barriere dünn, so reicht ein relevantes Stück der Welle hindurch. Gerade bei der Verringerung der Geschwindigkeit wird die Ortsunschärfe des Teilchens besonders groß.

Die quantenmechanische Betrachtungsweise geht von der Schrödingergleichung aus, einer Differentialgleichung für die Wellenfunktion (Physik)|Wellenfunktion, die angibt, wo sich ein Teilchen aufhalten kann. Diese Wellenfunktion (Welle) dringt in den verbotenen Bereich ein und klingt exponentiell ab. Durch den exponentiellen Abfall der Welle in dem verbotenen Bereich, bleibt am Ende des verbotenen Bereiches noch ein Rest der ursprünglichen Welle übrig. Da nach den Regeln der der Betrag der Wellenfunktion eine Wahrscheinlichkeit darstellt, gibt es eine kleine Wahrscheinlichkeit, dass das Teilchen am anderen Ende der Barriere auftaucht. Sachlich gesprochen: "Es kommt zu einem Überkoppeln der Wellenfunktion."

Wie die meisten Effekte der Quantentheorie spielt auch der Tunneleffekt nur bei extrem kurzen Distanzen sowie sehr kurzen Zeitabschnitten eine Rolle.

Die Namensgebung Tunneleffekt trägt dem Umstand Rechnung, dass die Teilchen die Barriere klassisch nicht überwinden können, und man sich den Effekt, wenn überhaupt, eher als eine Art Durchtunnelung der Barriere vorstellen muss.

Beispiele

Auf dem Tunneleffekt beruht unter anderem der spontane radioaktive Zerfall von Urankernen. Nach der klassischen Theorie dürften Uran|Urankerne gar nicht zerfallen, da die Energiebarriere zu hoch ist. Dennoch kommt es auf Grundlage eben des Tunneleffektes nach stochastischen Gesetzmäßigkeiten (die die Definition einer Halbwertszeit ermöglichen), immer wieder vor, dass Alphateilchen einen Urankern verlassen können. Mit Heisenbergs Unbestimmtheitsrelation ist dieser Effekt zu erklären. Die Wellenfunktion der Alphateilchen dehnt sich durch die Energiebarriere hindurch, so dass ein kleiner Teil nach außen tritt.

Auch beim Rastertunnelmikroskop, bei der Tunneldiode und beim Josephsonkontakt wird der Tunneleffekt ausgenutzt.

Aluminium oxidiert an der Luft sehr schnell. Da Aluminiumoxid ein Isolator ist, sollte man klassisch erwarten, dass zwischen sich berührenden Aluminiumteilen kein elektrischer Strom fließt. Dass dennoch ein Strom fließt verdanken wir dem Tunneln der Elektronen durch die dünne Oxidschicht.

Eine wichtige Rolle spielt der Tunneleffekt bei der in der , da er es einigen Protonen erlaubt, sich einander weit genug zu nähern, um fusionieren zu können (s. ).

Siehe auch

  • Welle-Teilchen-Dualismus

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