Faszination Physik - Teil 2 - Der Tunnel-Effekt

... oder:
Warum man auf einem Schiff nasse Füße bekommt?

Der Tunnel-Effekt beschreibt ein quantenmechanisches Phänomen, daß Ereignisse erlaubt, die eigentlich aufgrund der gegebenen Energieunterschiede nicht möglich sein sollten.

Ich beginne mit einer einfachen und anschaulichen Erklärung, die das Phänomen aber ziemlich gut wiedergibt:
Man stelle sich vor man stehe auf einem Boot, vorn, also am Bug, 1m über der Wasseroberfläche, denn so weit ragt das Boot aus dem Wasser. Wäre das Wasser völlig still und eben, würde man keine nassen Füße bekommen, is klar, aber das liegt nicht in der Natur des Wassers. Normalerweise hat man mehr oder weniger starken Seegang und die Wellen schlagen ab und an so hoch, daß man, 1m über dem Wasserspiegel, nasse Füße bekommt, eben weil das Wasser Wellen schlägt. Das ist ja auch weiter nichts neues und, wie ich denke, für jeden verständlich.
Nun, lt. Quantenmechanik hat Materie und Energie eben auch die Eigenschaft, sich wie Wellen zu verhalten, deswegen werden sie in der Quantenmechanik ja auch so mit sog. Wellenfunktionen beschrieben. Und so wie Wasserwellen einem Seeman auf einem Schiff nasse Füße verpassen kann, können ind er Physik auch Energiebarrieren überwunden werden, die nach dem klassischen Verständnis nicht hätten überwunden werden dürfen, so, wie ein Seeman auf einem Schiff ohne Wellen im Wasser nie nasse Füße bekommt.
Und genau dieses Überwinden endlicher Energiebarrieren bezeichnet man als Tunnel-Effekt.

Durch den Wellencharakter von Energie und Materie kann, beispielsweise eine Materiewelle, also Materie, z.B. ein Elektron, eben weil es nach der Heißenbergschen Unschärfetheorie, wie eine Welle, innerhalb eines Wertbereiches schwingt, Werte annehmen, die höher liegen als ihre Durchschnittsenergie und damit höhere Potentiale überwinden, als wenn man nur die Durchschnittsenergie (also Energie nach klassischer Physik) berücksichtigen würde. Da sich nun die besagte Unschärfe auf Energie und Ort bezieht, können nicht nur energietische Potentiale überwunden werden, sondern auch örtliche Potentiale. Mit anderen Worten: Wenn ein Teilchen eine signifikante Aufenthaltswahrscheinlich an einem bestimmen Ort hat, dann kommt es ben mit dieser Wahrscheinlichkeit auch dort vor, egal was sonst dazwischen ist, Punkt, deshalb nennt man das auch Tunnel-Effekt.

Ich hoffe ich konnte den Tunnel-Effekt verständlich erklären, wenn nicht, meckern und sagen, wo es hakt!

Dieser Effekt ist viel wichtiger als man Denkt, man findet ihn öfter als man denkt:

Für die Elektronik-Insider:
Die Durchbruchspannung bei Halbleiterbauelementen beruht auf dem Tunnel-Effekt, oder die sog. Tunnel-Diode, sie ist nach diesem Effekt benannt. Auch im Bereich der Supraleitung spiel er eine große Rolle, z.B. beim [wiki=Josephson-Effekt:gq4qaxmj]Josephson-Effekt[/wiki:gq4qaxmj].
Flash-Speicher, d.h. ihre Floating-gate-feldeffekttransistoren, beruhen ebenfals auf dem Tunnel-Effekt, ebenso der sog. magnetische Tunnelwiderstand, der zum Lesen der Daten moderner Festplatten ausgenutzt wird, auch die Funktionsweise von Rasterelektronenmikroskopen bedarf des Tunnel-Effekts.

Kernfusion z.B. in der Sonne erklärt sich nur mit dem Tunnel-Effekt, andernfals würden die berechneten Drücke und Temperaturen nicht ausreichen, ebenso der Alpha-Zerfall, ein radioaktiver Zerfallsprozess, bei dem ein Atomkern ein Helium-Atomkern abstößt, den man als Alpha-Srahlung bezeichnet, ist nur mit diesem Effekt zu erklären.

Nachtrag:
Kurz gesagt: Tunnel-Effekt heißt, wenn etwas irgendwo sein kann, dann kann es da auch hinkommen, oder noch anders ausgedrückt, philosophischer: Siehst du dich an dem Ort, an dem du sein willst, wird es immer auch einen Weg dorthin geben, der sich dir erschleißt, wenn du ihn zu gehen bereit bist und du wirst dabei Mauern überwinden können, die du nicht überspringen kannst.

Demnächst mehr ... in Teil 3, warum Quecksilber flüssig und Gold gelb ist ...