Interessantes zu Theoretischer Physik

Tunneleffekt, Rastertunnelmikroskop, Ortsunschärfe

Tunneleffekt, Sonnenschein, Mikroskopie

Trifft ein ankommendes Quant (z.B. ein Elektron) auf ein Hindernis, so folgt aus Heisenbergs Unschärfe-relation, dass — falls das Hindernis hinreichend schmal ist — jenes Quant mit geringer Wahrscheinlichkeit auch jenseits der Barriere angetroffen werden kann. Wie man gelegentlich nachmessen konnte, hat es dort immer noch denselben Impuls hat wie un­mittelbar vor der Barriere (es kann also nicht wirklich durch die Barriere gekommen sein, da es sonst an Energie verloren hätte).


Die beiden Erfinder des Rastertunnelmikroskops (IBM, 1981) haben sich das wie folgt zunutze gemacht:

Ein Rastertunnel­mikroskop besteht aus

Die kleine Lücke dazwischen wirkt als Potentialbarriere: als ein Hindernis, das die Elektronen nicht durch­wandern, wohl aber durchtunneln können:

Wegen der Ortsunschärfe am noch schmäleren Hindernis werden einige der in der Metallspitze ankom­menden Elektronen jenseits der Barriere anzutreffen sein (und das in umso größerer Zahl, je schmäler die Lücke ist). So ent­steht Stromfluss, der gemessen werden kann.

Die Tunnelwahrscheinlichkeit — und damit die Stromstärke — steigt deutlich an, wenn sich die Spitze der Oberfläche der Probe weiter nähert.

Eine Aufnahme mit einem Rastertunnelmikroskop funktioniert wie folgt: Man führt die Spitze hin und her über die ganze Probenoberfläche und registriert dabei die ortsabhängig schwankende Stromstärke zwi­schen Spitze und Probe. Steigende Stromstärke bedeutet, dass man sich einer Erhöhung auf der Probe nähert. Umgekehrt signalisiert fallende Stromstärke, dass die Spitze gerade eine Vertiefung auf der Probe gefunden hat. Diese Messungen lassen sich zu einem Gesamtbild zusammensetzen, das über Höhenlinien die Form der Probenoberfläche wiedergibt.


Auch Sonnenschein ist eine Folge des Tunneleffekts:

Die Sonne scheint aufgrund von Fusionsreaktionen in ihrem Kern, weil sich dort Wasserstoffprotonen zu Helium verbinden. Da Protonen positiv geladen sind, stoßen sie einander zwar ab, was einem Hindernis entspricht. Einige von ihnen können es — des Tunneleffekts wegen — aber doch überwinden. Obgleich die Wahrscheinlichkeit für ein einzelnes Proton zum Durchtunneln der Potentialbarriere äußerst gering ist, führt die sehr hohe Anzahl verfügbarer Protonen dann doch zu dem, was wir als Sonnenschein wahrneh­men.


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Wissenswertes zu "Ortsunschärfe, Rastertunnelmikroskop, Tunneleffekt" zusammengestellt durch Gebhard Greiter.
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