Der Tunneleffekt

Wie der Name vermuten lässt, nützt man beim Rastertunnelmikroskop (RTM) den Tunneleffekt aus. Eine winzige Metallspitze, nur ein paar Atome dick, wird etwa einen Milliardstel Meter (1 nm) an das Untersuchungsobjekt herangefahren (folgende Abb. a). Dann wird Spannung angelegt. Zwischen Oberfläche und Spitze bildet sich eine Potenzialschwelle, ähnlich wie in Abb. d.

a) Die Nadelspitze wird in gleichem Abstand über der Oberfläche gehalten und rasterförmig b) über die Probe bewegt.

Funktionsprinzip RMT

Hin und wieder können aber Elektronen den Zwischenraum durchtunneln und erzeugen den sogenannten Tunnelstrom. Je kleiner der Abstand, desto größer wird dieser Strom. Zur Abtastung der Oberfläche verschiebt man die Nadel horizontal in einem Rastermuster (b). Vertikal wird die Nadel immer so eingestellt, dass der Tunnelstrom gleich bleibt. Dann hat nämlich die Nadel immer denselben Abstand zur Oberfläche (a). Auf diese Weise kann man die Oberfläche exakt abtasten, ohne dass man sie berührt. Mit einem Computer werden diese Höhen- und Seitenbewegungen in Bilder umgewandelt. Man kann mit einem RTM nicht nur einzelne Atome sehen, sondern sie auch vorher platzieren, so wie in folgenden Abb.n.

Eisenatome auf einer Kupferunterlage (die Farben sind künstlerische Freiheit). Es handelt sich hier um die kleinsten Berge der Welt - nur ein Atom hoch. Die Elektronen im Inneren des „Quantenstadions“ bilden stehende Wellen aus. Beeindruckend: Du kannst die Wahrscheinlichkeitsdichte mit eigenen Augen sehen!

Die Strahlungsleistung der Sonne beträgt unvorstellbare `10^{26}` Watt! Der Energiebedarf in Österreich liegt bei etwa `10^{17}` J pro Jahr. Die Sonne strahlt pro Sekunde so viel Energie ab, dass man Österreich damit einige Jahrzehnte lang versorgen könnte (rechne nach)!

Diese gigantische Strahlungsleistung kommt durch Kernfusion, also durch Kernverschmelzung zu Stande: aus leichten Elementen werden schwere (F6). Diese Prozesse sind sehr kompliziert, und wir sehen uns exemplarisch an, was passiert, wenn man ein einzelnes Proton mit einem Kern fusioniert (Abb. unten).

Oben: Unsere Sonne; unten: Potenzialschwelle und Tunneleffekt bei der Fusion eines Protons mit einem Atomkern.

Weil Proton und Kern positiv geladen sind, wächst mit der Annäherung die elektrische Abstoßung. Dadurch entsteht eine Potenzialschwelle (Abb. unten). Erst wenn sich das Proton auf etwa `10^{-15}` m genähert hat, überwiegt die starke Wechselwirkungskraft (man nennt sie auch starke Grundkraft; siehe Tab.). Das Proton fällt in den Potenzialtopf und die Fusion ist perfekt.

Damit die Protonen durch die thermische Bewegung dermaßen nahe an die Kerne kommen, wären Temperaturen von etwa 1 Milliarde Grad notwendig. Im Sonneninneren hat es aber „nur“ 15 Millionen Grad! Klassisch gesehen dürfte es in der Sonne keine Fusion geben. Nur der Tunneleffekt ermöglicht es, dass in der Sonne Fusion ablaufen kann und somit die Erde mit Energie versorgt wird. Ohne Tunneleffekt könntest du nicht leben!