41.

Efekt tunelowy (zjawisko tunelowe) - zjawisko przejścia cząstki przez barierę potencjału o wysokości większej niż energia cząstki, opisane przez mechanikę kwantową. Z punktu widzenia fizyki klasycznej stanowi paradoks łamiący klasycznie rozumianą zasadę zachowania energii, gdyż cząstka przez pewien czas przebywa w obszarze zabronionym przez zasadę zachowania energii.

Cząstka klasyczna w dole potencjału

Rozpatrzmy dla uproszczenia cząstkę o jednym stopniu swobody mogącą poruszać się tylko wzdłuż osi OX. Niech cząstka ta ma energię kinetyczną Ek i znajduje się w dole potencjału. Potencjał ten reprezentowany jest przez energię potencjalną cząstki Ep(x). Energia cząstki jest sumą energii kinetycznej i potencjalnej

Ponieważ energia kinetyczna jest nieujemna, klasyczna fizyka dopuszcza tylko ruch w obszarach gdzie

Zatem cząstka może przebywać w obszarach x1 < x < x2 oraz x > x3, natomiast w obszarze x2 < x < x3 nie może się znaleźć, ponieważ jej energia kinetyczna byłaby wówczas mniejsza od zera.

Cząstkę taką można traktować jak piłkę toczącą się wewnątrz dołka. Piłka będzie wtaczać się na ściankę dołka tylko do momentu, w którym straci całą energię kinetyczną.

cząstka α uwalniająca się z potencjału jądra (zielona linia) dzięki zjawisku tunelowemu

Efekt tunelowy w przyrodzie i w technice

Fuzja jądrowa będąca źródłem energii Słońca zachodzi w dużym stopniu dzięki zjawisku tunelowemu. Zjawisko to umożliwia pokonanie bariery odpychania kulombowskiego jąder atomów w temperaturze niższej, niż wynikałoby to z praw termodynamiki. Efekt tunelowy stwarza również nadzieje na obniżenie temperatury fuzji przeprowadzanej w sposób kontrolowany. Dzięki zjawisku tunelowemu następuje emisja cząstek α w procesie rozpadu promieniotwórczego masywnych jąder atomowych.

We współczesnej technice na zjawisku tunelowym oparte jest funkcjonowanie wielu półprzewodnikowych elementów elektronicznych (np. dioda tunelowa) oraz urządzeń takich jak skaningowy mikroskop tunelowy.

---