Big Bang 7, Schulbuch

90 RG 7.2 G 7.2 Erweiterung Quantenphysik Der Tunneleffekt spielt inzwischen in der Technik eine nicht unbedeutende Rolle. Mit einem Rastertunnelmikroskop kann man zum Beispiel einzelne Atome erkennen. Die für uns größte Bedeutung liegt aber darin, dass der Tunnel- effekt die große Strahlungsleistung der Sonne ermöglicht. Ohne Tunneleffekt gäbe es auf der Erde kein Leben! Info: Die kleinsten Berge der Welt Info: Fusion Die kleinsten Berge der Welt Wie der Name vermuten lässt, nützt man beim Rastertun- nelmikroskop (RTM) den Tunneleffekt aus. Eine winzige Metallspitze, nur ein paar Atome dick, wird etwa einen Milliardstel Meter (1 nm) an das Untersuchungsobjekt her- angefahren (Abb. 36.12 a). Dann wird Spannung angelegt. Zwischen Oberfläche und Spitze bildet sich eine Potenzial- schwelle, ähnlich wie in Abb. 36.10 c, S. 89. Hin und wieder können aber Elektronen den Zwischenraum durchtunneln und erzeugen den sogenannten Tunnelstrom. Je kleiner der Abstand, desto größer wird dieser. Man tastet mit der Spitze die Oberfläche so ab (Abb. 36.12 b), dass der Tunnelstrom gleich bleibt. Dann hat nämlich die Nadel im- mer denselben Abstand zur Oberfläche (a). So kann man die Oberfläche berührungslos abtasten. Mit einem Computer werden die Nadelbewegungen in Bilder umgewandelt. Man kann mit einem RTM nicht nur einzelne Atome sehen, son- dern sie auch vorher platzieren, so wie in Abb. 36.13. i Abb. 36.12: a) Die Nadelspitze wird in gleichem Abstand über der Ober- fläche gehalten und rasterförmig (b) über die Probe bewegt. Abb. 36.13: 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! Zusammenfassung Der Tunneleffekt besagt, dass ein Quant in oder durch einen Bereich kann, für den es eigentlich gar nicht genug Energie besitzt. Der Tunneleffekt ist eine direkte Folge der Unschär- ferelation. Fusion Die Strahlungsleistung der Sonne beträgt unvorstellbare 10 26 Watt (Abb. 36.14)! Der Energiebedarf in Österreich liegt bei etwa 10 18 J pro Jahr. Die Sonne strahlt pro Sekunde so viel Energie ab, dass man Österreich damit einige Jahre lang versorgen könnte! 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. Weil Proton und Kern positiv geladen sind, wächst mit der Annäherung die elektrische Abstoßung. Dadurch entsteht eine Potenzialschwelle (Abb. 36.15). Erst wenn sich das Pro- ton auf etwa 10 –15 m genähert hat, überwiegt die starke Wechselwirkungskraft. Das Proton fällt in den Potenzialtopf und die Fusion ist perfekt. Damit die Protonen durch die thermische Bewegung derma- ßen 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 dort keine Fusion geben. Nur der Tunneleffekt ermöglicht, dass in der Sonne Fusion ablaufen kann und somit die Erde mit Energie versorgt wird. Ohne Tunneleffekt könntest du nicht leben! i Abb. 36.14: Unsere Sonne hat eine Strahlungsleistung von unvorstellbaren 10 26 W. Das leistungs- stärkste Donaukraftwerk Altenwörth hat nur 3,3 · 10 8 W. Abb. 36.15: Potenzialschwelle und Tunneleffekt bei der Fusion eines Protons mit einem Atomkern Z Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv