Budući da polumjeratomske jezgre iznosi oko 10-15m, a brzinaalfa-čestice koja se u njemu kreće iznosi oko 106m/s, izlazi da alfa-čestica dolazi do vanjske površine približno 106/10-15 = 1021 puta u sekundi, odnosno da ona pobjegne iz jezgre nakon 1021 pokušaja. To je u stvari bittuneliranja ili tunelskog učinka.Tuneliranjem postojivjerojatnost daelementarna čestica svlada prepreku (potencijalnu barijeru) zahvaljujućivalnim svojstvima kojakvantna mehanika pridjeljuje elementarnim česticama, valna funkcija čestice ne iščezava ni u samoj barijeri, ni iza nje.Postoji određenavjerojatnost da seelementarna čestica nađe i u klasično zabranjenim područjima prostora. Ta vjerojatnost ovisi o visini i širini barijere, a pokusi potvrđuju da je, pri naletu mnoštva čestica, broj onih koje prođu barijeru proporcionalankvantno-mehanički izračunanoj vjerojatnosti.
Tuneliranje,tunelski efekt ilitunelski učinak jekvantnomehanička pojava pri kojoj postojivjerojatnost daelementarna čestica svlada prepreku (potencijalnu barijeru) kada to zakoniklasične fizike ne dopuštaju. Primjerice, pri naletu čestice na središte odbojnesile kojoj jepotencijalna energija veća odkinetičke energije čestice, klasično je moguće samo odbijanje čestice. Ipak, zahvaljujućivalnim svojstvima koja kvantna mehanika pridjeljuje elementarnim česticama, valna funkcija čestice ne iščezava ni u samoj barijeri, ni iza nje. Stoga postoji određena vjerojatnost (dana kvadratom modula valne funkcije) da se čestica nađe i u klasično zabranjenim područjima prostora. Ta vjerojatnost ovisi o visini i širini barijere, a pokusi potvrđuju da je, pri naletu mnoštva čestica, broj onih koje prođu barijeru proporcionalan kvantno-mehanički izračunanoj vjerojatnosti.
Tuneliranjem su protumačene mnogobrojne pojave unuklearnoj iatomskoj fizici, poputalfa raspadaatomskih jezgri (George Gamow, 1928.), spontanenuklearne fisije, emisijeelektrona iz metalnih površina usupravodičima. U posljednjem slučaju riječ je o posebnom tipu tuneliranja vezanom uz energijski procijep i promijenjenu gustoću stanja za normalno vodljive kvazičestice u supravodiču. Struja elektrona koji prolaze tuneliranjem kroz potencijalnu barijeru našla je primjenu upretražnom mikroskopu s tuneliranjem, kojom se ispituje elektronska struktura površina vodljivih uzoraka.[1]
BCS-teorija iliBardeen-Cooper-Schriefferova teorija je prva mikroskopska teorijasupravodljivosti (1957.). Polazi od pretpostavke da na vrlo niskimtemperaturama ukristalnoj rešetki supravodiča privlačno međudjelovanjeelektron–rešetka–elektron nadjačava odbojnuelektričnu silu među elektronima, tj. da elektroni pri prolasku kroz rešetku privlače njezineione, što rezultira povećanjem gustoćepozitivnog naboja u tom području i, dok se rešetka ne vrati u ravnotežno stanje, privlači druge elektrone. U takvim uvjetima elektroni kojima suspinovi ikoličine gibanje suprotni gibaju se u parovima (Cooperovi parovi), a svaki par elektrona na međusobnoj udaljenosti od približno 100nm giba se kroz kristalnu rešetku bez gubitkaenergije i može tunelirati krozizolatorsku barijeru. Porastom temperatureatomi rešetke sve jačetitraju, iznad kritične temperature razdvajaju elektronske parove, elektroni se više ne mogu gibati bez gubitaka i pojavljuje seelektrični otpor. Za razvoj BCS-teorijeJohn Bardeen,Leon Neil Cooper iJohn Robert Schrieffer dobili suNobelovu nagradu za fiziku 1972.[2]
Skenirajući tunelski mikroskop (STM, kratica odengl.Scanning Tunneling Microscope) jemikroskop kojim se promatraju površinemetala i drugihelektrički vodljivihmaterijala preciznošću na raziniatoma. Najvažniji je dio pretražnog mikroskopa s tuneliranjem oštri vrh odvolframa,platine,iridija,ugljikovenanocijevi ili nekog drugog vodljivoga materijala koji u idealnom slučaju čini samo jedan ili nekoliko atoma. Kada je vrh blizu površine (nanometar i manje), uvakuumu između vrha i površine dolazi do tuneliranja elektrona. Kako se vrh pomiče duž površine, zbog površinskih nepravilnosti i nehomogenosti na razini atoma, udaljenost i električna struja između vrha i površine se mijenjaju, a promjena jakosti struje može se tumačiti kao slika površine. Za otkriće pretražnog mikroskopa s tuneliranjem,Gerd Binnig iHeinrich Rohrer dobili suNobelovu nagradu za fiziku 1986.[3]
Velika je poteškoća nastala da se objasni kako je moguće daalfa-čestice, čijakinetička energija iznosi pri izbacivanju izradioaktivnih atomskih jezgri od 4 do 10 MeV, da prođu krozpotencijalnu energetsku barijeru, čije najveće vrijednosti kod elemenata s velikimatomskim brojem iznose oko 25 MeV. Premaklasičnoj teoriji, izlazi da alfa-čestice, koje se nalaze u unutrašnjostiatomske jezgre, ne mogu prodrijeti kroz barijeru i iz njega se osloboditi s energijom, koja je manja od energije potencijalne barijere.
Isto tako, teško je bilo objasniti zašto radioaktivni elementi imaju tako dugovrijeme poluraspada, koji na primjer zaradij-226 iznosi 1600godina. To znači da se u tako dugom vremenskom periodu,nukleoni (protoni ineutroni) moraju držati zajedno uatomskom jezgru, iako ponekad spontano, bez vanjskih utjecaja, dva protona i dva neutron u obliku alfa-čestice budu izbačeni iz nje.
Taj problem suteoretski riješili 1928.George Gamow, a neovisno o njemuRonald Wilfred Gurney iEdward Condon, razvivši teoriju Tuneliranje|tuneliranja. Premakvantnoj fizici postoji vjerojatnost da se alfa-čestica s određenom energijom, koja je manja od energije potencijalne barijere, oslobodi atomskog jezgra, kad dođe do njegove površine. Ova vjerojatnost je veća ako je veća energija alfa-čestice i ako je širina barijere manja od vrijednosti njene energije. Alfa-čestica će na neki način dobiti dovoljnu količinu energije od drugih nuklearnih čestica, za svladavanje potencijalne barijere.
Za alfa-čestice sposobne da dospiju do vanjske površine i da ponovno budu ubačene u atomsko jezgro, postoji učestalost. Vrijednost ove učestalosti može se odrediti dijeljenjem veličinepolumjera atomske jezgre s procijenjenom brzinom, kojom se alfa-čestice kreću u atomskoj jezgri. Budući da polumjer atomske jezgre iznosi oko 10-15m, a brzina alfa-čestice koja se u njemu kreće iznosi oko 106 m/s, izlazi da alfa-čestica dolazi do vanjske površine približno 106/10-15 = 1021 puta u sekundi, odnosno da ona pobjegne iz jezgre nakon 1021 pokušaja. To je u stvari bit tuneliranja.[4]
