Der Tunneleffekt

Geschichtliches 1897 im Vakuum bei der Feldemission von Elektronen in einem Experiment von Robert Williams Wood beobachtet, allerdings nicht gedeutet 1902 formulierten dann Ernest Rutherford und sein Schüler Frederick Soddy eine Zerfallstheorie zur Erklärung der Radioaktivität von bestimmten Atomen Diese wurde dann 1909 von Rutherford und Thomas Royds bestätigt, als sie nachgewiesen haben, dass es sich bei Alphateilchen um zweifach positiv geladene Heliumionen handelt 1926 wurde dann der Tunneleffekt unter anderem von Ralph Howard Fowler und Lothar Wolfgang Nordheim beobachtet und beschrieben

Rahmenbedingungen / Allgemeines Potentialtopf mit endlich hohen Wänden wird betrachtet Teilchen kann nach klassischer Vorstellung diese Barriere nicht durchbrechen In der Quantenphysik geschieht dies allerdings trotzdem Das Teilchen „durchtunnelt“ quasi die Barriere, daher auch der Name Tunneleffekt

Klassisches Teilchen im Potentialtopf ( klassische Erwartung dessen, was passieren sollte) Quantenmechanisches Teilchen im Potentialtopf

Erklärung Nutzt man die Schrödinger-Gleichung zur Erklärung des Tunneleffekts, so erhält man folgendes: Trifft die Welle des Teilchens auf die Barriere dringt sie in diese ein und wird exponentiell kleiner (nach der Form Psi(x)= e -k*x ;siehe Abbildung der vorangegangen Folie) Tritt die Welle dann aus der Barriere in den Bereich dahinter, ist die Amplitude kleiner geworden Nach dem Quadrat der Gleichung ist also die Wahrscheinlichkeit, ein Teilchen dort anzutreffen, wesentlich geringer geworden, aber dennoch nicht gleich 0 Zum Überwinden der Potentialbarriere „leiht“ sich das Teilchen quasi Energie (möglich nach der Heisenbergschen Unschärferelation, wonach gilt: Δ W ≈ h/Δ t , somit ist die Energie nicht genau bestimmt), damit es genug Energie besitzt, um „tunneln“ zu können. Danach gibt es diese Energie wieder ab Wie die meisten Effekte der Quantentheorie spielt auch der Tunneleffekt nur bei extrem kurzen Distanzen sowie sehr kurzen Zeitabschnitten eine Rolle. Je länger die Potentialbarriere, desto geringer wird die Wahrscheinlichkeit, dass ein Teilchen hindurch „tunnelt“

Anwendungsbereiche Der Tunneleffekt erklärt zunächst einmal der radioaktiven Zerfall von Urankernen Kernfusion in der Sonne kann nur durch den Tunneleffekt erklärt werden, da Druck und Temperatur im Innern der Sonne nicht ausreicht, um die Coulomb-Barriere zu überwinden Rastertunnelmikroskop Flash Speicher

Auch zu finden im Buch auf Seite 306