Experiment zum Tunneleffekt mit Mikrowellen
Der Schulstoff Mittelstufe
In der Mittelstufe lernt man bei der Behandlung der Lichtausbreitung die Totalreflexion kennen:
Trifft ein Lichtstrahl schräg genug auf die Grenzfläche zwischen Glas und Luft oder Wasser und Luft auf, so wird er vollständig, eben total, reflektiert.
Anwendungen gibt es viele: Luftspiegelungen, Lichtleiter oder der eingeschränkte Blick eines Tauchers aus dem Wasser.
Das wird häufig als ein "Alles oder nichts"-Satz verkauft: Ab dem Grenzwinkel der Totalreflexion wird alles reflektiert.
Typischer Schulversuch zur Totalreflexion (Wikipedia common)
Das Extrafutter 1:
Strahlungen dringen immer in andere Medien ein. Warum sollte Licht, das aus dem Wasser kommt, nicht doch in die Luft übergehen?
Tur es...aber ab dem Grenzwinkel fällt die Lichtintensität sehr schnell (innerhalb weniger Wellenlängen) ab. Deswegen merkt man nichts davon. Aber wenn man ein anderes Glasstück ganz dich an die Reflexionsstelle hält, dann läuft ein Teil des Lichtstrahles weiter. Die Totalreflexion ist verhindert.
Verhinderte Totalreflexion n(Wikipedia common)
Der Schulstoff Oberstufe
Wenn überhaupt wird der Tunneleffekt in der Oberstufe als besonderer Effekt der Quantenmechanik vorgestellt: Quanten, denen Energie fehlt, um Hindernisse zu überwinden, können trotzdem mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit auch auf der anderen Seite der Barriere auftauchen.
Ihre Energie ändert sich dabei nicht, es sieht so aus, als wären sie in einem Tunnel durch die Barriere gekommen.
Damit versteht man den Alphazerfall und die Energieerzeugung im Inneren der Sonne.
Das Extrafutter 2:
Jede Welle dringt immer in andere Medien ein. Nur klingt sie exponentiell ab. Das nennt man Evaneszenz. Ist die Barriere schmal genug, so durchläuft die Welle teilweise das Hindernis und das Quant taucht auf der anderen Seite auf.
Jede Welle? Ja! Ein Tunneleffekt ist bei Mikrowellen, Radiowellen, Licht und sogar Schallwellen beobachtet worden. Warum soll das dann nicht auch für die Wahrscheinlichkeitswellen der Quantenmechanik gelten?
Der Tunneleffekt ist eine Wellenerscheinung, der man schon in der Mittelstufe bei der Totalreflexion begegnen kann.
Unsere Sonne leuchtet durch verhinderte Totalreflexion der Begegnung zweier Protonen in ihrem Zentrum. Dadurch können sie verschmelzen und Energie freisetzen.
Deshalb besitzen Mikrowellenherde auch dicke Glasscheiben. Reflektiert wird am Gitter in der Tür. Schräg auftreffende Mikrowellen könnten durch diese Barriere hindurchtunneln, wenn man mit der Nasenspitze genügend dicht dran kommt.
Die dicke Glasscheibe verhindert das.
Ausführlich habe ich das in einem Vortrag erklärt:
https://www.natur-science-schule.info/physik
Es gibt auch ein Extrafutter-Video dazu:
Weitere Anwendungen stehen in einem der ersten Extrafutter-Beiträge:
https://www.natur-science-schule.info/post/was-haben-ein-stethoskop-glasfaser-und-alma-gemeinsam