Fyzmatik | Jak hlavou prorazit zeď - tunelování

Tunelováním rozumíme v kvantové mechanice tzv. tunelový jev. Jde o typický projev vlnových vlastností částic. Ptáte se jak, je to možné, že částice mikrosvěta projevuje vlnové vlastnosti? Je poněkud složité pochopit, že tak typická částice jako je například elektron se chová jako vlna – má vlnovou délku a frekvenci. S touto hypotézou přišel nejprve francouzský fyzik Louis de Broglie (de brolji) v roce 1924 a teprve o 3 roky později to dokázali pánové Davisson a Germer experimentálně.

Pokud uvažujeme částici, která má překonat nějakou bariéru - dostat se přes svah, dostat z nějaké (potenciálové) jámy potom z klasické fyziky víme, že je to možné pouze tehdy, pokud bude mít částice dostatečně velkou energii. Příkladem může být kmitající kulička v hladkém talířku, která tento talířek nemůže opustit, pokud nezíská dostatečnou energii k překonání okraje talíře. Vlny se ale na rozdíl od částic mohou dostat díky ohybu i za překážku a pokračovat v dalším šíření prostorem. Mikročástice podle zákonů kvantové fyziky mohou skutečně proniknout bariérou, aniž by k tomu měli dostatečnou energii - mohou se "protunelovat" a najednou se ocitnou za překážkou. To, co je v klasické fyzice pro těleso nemožné – projít překážkou, to je u částic mikrosvěta docela běžnou záležitostí. V kvantové mechanice existuje podle teorie nenulová pravděpodobnost nalezení částice za překážkou. To znamená, že částice se na druhou stranu překážky dostala, přestože její energie je nižší, než je energie nutná na překonání výšky překážky. Částice se tedy na druhou stranu valu "protunelovala".

Tunelový jev lze přirovnat k situaci, kdy vezmeme malý kamínek a lehce jej hodíme proti skleněnému oknu. V klasické představě se kamínek od skla odrazí a spadne na zem. V kvantovém případě kamínek projde sklem a na druhé straně spadne na podlahu pokoje, aniž by porušil skleněné okno.

Pomocí kvantového tunelování objasnil George Gamow v roce 1928 alfa rozpad atomových jader. Z klasického hlediska jsou částice udržovány v jádře proto, že opuštění jádra vyžaduje překonání velmi vysoké "bariéry" a částice by tedy k opuštění jádra (tedy k jeho rozpadu) musely mít velmi velkou energii. Z hlediska klasické fyziky je tedy k rozdělení takového systému (jádra) potřeba velmi velké množství energie. V kvantové mechanice však existuje určitá pravděpodobnost, že se částice protuneluje skrz potenciálovou bariéru a unikne z jádra.

Max Born rozpoznal, že kvantové tunelování není jev související pouze s jadernou fyzikou, ale že se jedná o obecný jev vyplývající z kvantové mechaniky, jehož projevy lze nalézt u různých systémů.

Tímto způsobem může docházet v elektrickém poli k uvolňování elektronů z kovů, přestože energie elektronů je nižší než příslušná výstupní práce. Díky tunelovému jevu vylétají např. částice z atomových jader. Na tunelovém jevu je založena řada polovodičových prvků (např. tunelová dioda), řada citlivých měřících metod a řádkovací tunelový mikroskop. Výklad tunelového jevu je možné provést na základě pravděpodobnosti: částice musí vykonat nejprve řadu neúspěšných pokusů, než se "jí podaří" uvolnit se např. z kovu. Pro částici, která má dostatečné množství "pokusů" na opuštění kovu tedy neplatí známé přísloví: "Hlavou zeď neprorazíš."