Effetto tunnel

Effetto tunnel In fisica, fenomeno quantistico che consiste nel superamento di una barriera energetica da parte di una particella, dotata di una quantità di energia ritenuta insufficiente dal punto di vista classico. L’effetto, osservato per la prima volta nel 1960 per l’elettrone, costituisce un’importante prova a favore della teoria della meccanica ondulatoria. È alla base dei fenomeni radioattivi e viene sfruttato in alcune applicazioni tecnologiche come il microscopio elettronico a scansione a effetto tunnel.

Un esempio tipico di effetto tunnel è l’emissione di una particella alfa da parte di un nucleo radioattivo, ossia un evento di decadimento alfa. Prima dell’emissione, la particella (costituita da due protoni e due neutroni) è parte integrante del nucleo, e come tale è strettamente legata agli altri protoni e neutroni da intensissime forze attrattive (interazioni forti). In termini matematici, questo concetto si esprime dicendo che l’energia E della particella alfa è di gran lunga inferiore al potenziale V delle forze di interazione nucleare o, in altre parole, che le forze di interazione nucleare costituiscono una barriera di potenziale per la particella alfa. L’effetto tunnel è quel fenomeno per cui, nonostante l’energia E della particella alfa sia insufficiente per vincere le forze attrattive che la tengono legata al nucleo (in gergo quantistico, per superare la barriera di potenziale V), l’emissione avviene ugualmente. Classicamente, un simile evento sarebbe del tutto impensabile: l’unico fenomeno possibile in queste condizioni sarebbe l’urto elastico della particella contro la barriera; in sostanza, la particella rimarrebbe necessariamente confinata nella regione interessata dal potenziale V.

L’effetto tunnel trova una spiegazione nel principio di indeterminazione di Heisenberg; tale principio – uno dei cardini della meccanica quantistica – ammette l’esistenza di rapidissime fluttuazioni nello stato dei sistemi microscopici, e quindi nell’energia delle particelle. Occasionalmente, in tempi brevissimi, tale energia assumerebbe valori sufficienti per superare eventuali barriere di potenziale altrimenti insormontabili.

Dal punto di vista analitico, l’effetto tunnel ha una rappresentazione ben precisa: posto che in meccanica quantistica a ogni particella è associata una funzione d’onda, e che a tale funzione è assegnato un significato probabilistico (la sua ampiezza è una misura della probabilità di trovare la particella nella regione data), l’effetto tunnel è rappresentato dalla presenza di una componente non nulla della funzione d’onda della particella nella regione posta al di là della barriera.