Effetto Tunnel

L’effetto tunnel è un effetto quantistico, una di quelle particolari proprietà della materia che si hanno quando il sistema di riferimento ha dimensioni atomiche.

Da una serie di considerazioni ed esperimenti, nel secolo scorso si è determinato che la luce ha una doppia natura: ondulatoria (si comporta come un’onda) e corpuscolare (è composta di particelle, i fotoni). Il fisico Louis-Victeur De Broglie ebbe allora un’incredibile intuizione: ma se la luce, che è un’onda, è composta di materia (fotoni), allora forse non potrebbe essere vero anche il contrario, cioè che la materia abbia proprietà ondulatorie?

Ed è proprio così. Voi, io, lo smartphone che avete in mano, la sedia su cui siete seduti, ci comportiamo come onde. Oscilliamo. Non ve ne accorgete? Questo è perché l’ampiezza di quest’onda, in comparazione con la dimensione del sistema di riferimento (noi), è troppo piccola perché ce ne possiamo accorgere. Diventa però importante se le dimensioni sono, per esempio, quelle di un elettrone, che quindi si comporta esattamente alla stregua di un’onda.
L’elettrone (che ha carica negativa) è legato al nucleo dell’atomo (che ha carica positiva) da forze d'attrazione elettrostatiche: è quindi trattenuto da una barriera di potenziale. Se viene fornita la necessaria quantità di energia, l'elettrone può superare la barriera e venire espulso dall'atomo. In fisica classica è impossibile che la particella superi la barriera senza che le venga fornita energia. Immaginate di voler far superare a una pallina un dosso: le dovete fornire energia dandole un colpetto, altrimenti di suo non ci riuscirebbe. Senza dare energia, l'elettrone non potrebbe quindi sganciarsi dal nucleo, sarebbe come se una pallina da ping-pong oltrepassasse il vetro di una finestra.
Invece in fisica quantistica questo è possibile: l’elettrone “si ricorda” di potersi comportare come un’onda e oltrepassa la barriera, ma senza venire espulso, continuando a rimanere legato al nucleo: in poche parole è come se all'improvviso, in virtù di quest'altra sua natura, niente lo legasse più all'atomo, e poi di nuovo tornasse indietro. Sostanzialmente potremmo dire che si tratta di un evento parecchio improbabile, ma non impossibile, tant'è infatti che avviene: l'elettrone ci prova tantissime volte e prima o poi ce la fa. Insomma, è come se per far superare quel dosso alla pallina, a forza di tentativi abbiate scavato un tunnel per farvela passare attraverso. Questo è l'effetto tunnel.

Immaginate di avere una scatola di cioccolatini su di un tavolino. La guardate e i cioccolatini sono tutti all’interno. Distogliete un momento lo sguardo e quando guardate di nuovo uno dei cioccolatini è fuori dalla confezione. Distogliete ancora una volta lo sguardo e, quando lo riportate sulla scatola, il cioccolatino è di nuovo all’interno. Questa metafora descrive abbastanza bene l’effetto tunnel.

Ci sono anche delle applicazioni di questo fenomeno: il microscopio a effetto tunnel viene utilizzato per mappare la superficie di un campione.
Ma è davvero così importante? Sì, perché senza di esso l'universo come lo conosciamo non esisterebbe nemmeno. Quando due protoni hanno energia sufficiente, può avvenire una trasformazione che li porta a diventare un nucleo di elio (fusione nucleare), elemento da cui si originano poi tutti gli altri. In teoria questo processo sarebbe impossibile, considerando che i protoni sono positivi e che tra loro si respingono, ma in virtù dell’effetto tunnel si comportano come onde e sono in grado di oltrepassare la barriera di potenziale tra di essi, di incontrarsi e di fondersi. Ovviamente per farlo c'è bisogno di molta energia, ma la possibilità di riuscirci non esisterebbe nemmeno senza l'effetto tunnel.

Quindi senza l'effetto tunnel l'universo non sarebbe altro che un plasma caldo di particelle subatomiche. E immagino concorderete con me che questo sarebbe davvero un peccato.