Tunneleffect tunneling easy physics demonstration

Tunneleffect, tunneling of electrical breakdown is het effect in de kwantum­mechanica waarbij een deeltje door een potentiaalbarrière heen gaat, terwijl het (klassiek gezien) niet voldoende energie heeft om door die barrière heen te gaan¹.

Wat tunneling is en hoe het precies werkt, staat uitvoerig op andere websites beschreven. Maar bijna nergens lees je hoe je tunneling kunt demonstreren. Dus moest ik op eigen onderzoek uit. Ik denk het antwoord te hebben gevonden en dat vind je hier onder. In het echt is dit geen tunneling, maar slechts een model daarvoor. Lees andermans mening onderaan dit artikel.

Zo'n prisma is vlak geslepen. Maar geen enkel oppervlak is 100% vlak, dus ook niet de vlakken van het prisma die hier tegen elkaar worden gedrukt. Bovendien zijn mijn prisma's niet perfect schoon: en elk stofdeeltje heeft invloed. De spleet is dus ook niet overal even groot. Voor het tunneleffect moet de spleet moet even groot zijn als de golflengte van het licht. De golflengte van rood licht is: ±780 nm (0,00078 mm). Dat is een uiterst korte afstand, kleiner dan de kleinste bacterie. Dat is wellicht de reden waarom de prisma's op elkaar moeten worden geklemd.

Bij de opstelling kun je de spleet variëren door de klem al dan niet vaster aan te draaien. En dan zie je de opbrengst van de lichtstraal die rechtdoor gaat, variëren.

Volgens de docent moeten de prisma op elkaar worden geklemd om de luchtlaag er tussenuit te knijpen. 

De spleet is, denk ik, niet overal even groot. Het kan dus best dat je opstelling niet meteen het gewenste resultaat oplevert, gewoon omdat op de plek waar de laserstraal in jouw opstelling door de spleet valt, de afstand net niet goed is. Daarom moet je de opstelling verschuiven van links naar rechts en eventueel in hoogte verstellen om tot een goed resultaat te komen.

Maar dan: wie garandeert me dat de laserstraal nu niet net door een plek in de spleet gaat waar de afstand nul is, waar de oppervlakten elkaar raken dus??? Op die vraag moet ik nu het antwoord schuldig blijven. Onvoldoende diepgaande kennis beschikbaar helaas.

Ook belangrijk is dat het prisma goed haaks staat ten opzichte van de invallende laserstraal. Uit de 2 reflecties links en rechts van de laserstraal maak ik op dat mijn opstelling keurig haaks staat.

NB: tegen het uitglijden van de lijmklem heb ik een stukje rubber fietsband met tape over de hoek bevestigd.

Als prisma gebruikte ik hierboven glazen prisma's. Later is het ook gelukt met kunststoffen prisma's en met kunststoffen halve cirkels. Met kunststof lijkt er meer licht door de tunnel te gaan. Misschien komt dat omdat kunststof meer meegeeft dan glas waardoor het dichter op elkaar komt. Maar misschien komt het omdat het kunststof te goed op elkaar wordt geperst waardoor beide prisma's 'één' worden???

Met halve cirkels lukte het ook. Wel is het behoorlijk lastig om de hoek van 45° goed te houden en om de lichtstraal precies door het middelpunt te laten gaan.

Kunststof levert een stervormige stip op. Dat beschouw ik als een nadeel. Die ster ontstaat denk ik, omdat het oppervlak van een kunststof driehoek toch enigzins mat is.

Mijn voorkeur gaat uit naar de opstelling met glazen prisma.

Cube beam splitter

Tja, dat woord staat op mijn bron: http://sciencedemonstrations.fas.harvard.edu/presentations/frustrated-total-internal-reflection 

Laat ik ook een ooit oude beamer gesloopt hebben en daar zat een dergelijk ding in.

De Cube beam splitter werkt veel beter dan voorgaande opstellingen met op elkaar geklemde prisma's! De laserstraal komt nu helder en scherp naar buiten.

Maar... deze opstelling is veel minder illustratief. Bij de opstelling met losse prisma's kun je de spleet varieren door de klem al dan niet vaster aan te draaien. En dan zie je de opbrengst van de lichtstraal die rechtdoor gaat, variëren.

In de cirkeltjes rechts staan ook nog twee lichtstipjes! Het onderste stipje is goed zichtbaar, de bovenste nauwelijks. De laserstraal valt rechts van het midden op de cube. De diagonaal van de cube gaat van rechtsonder naar linksboven. Dus de onderste stip laat zich makkelijk verklaren. Het bovenste stipje begrip ik niet. Hoe komt die daar??? Heeft dat iets te maken met de laagjes aan de buitenzijde van de cube? Want er zitten rondom duidelijke laagjes, waarschijnlijk kleurfilters.

Als je laserstraal exact door het hart van de de cube laat gaan en de cube goed haaks uitlijnt, vallen de twee stippen samen en is er geen 2e stip meer.

Demonstratie Quantum Tunneling met behulp van 3cm golven 

Ik verwacht dat veel natuurkundedocenten beschikking hebben over 3 cm golven. Dus bovenstaand experiment moet goed te doen zijn. Zelf wil ik dit experiment ook gaan uitvoeren. Wat ik nog nodig heb zijn parafine-prisma's.

Electrical breakdown