Potentialtopf

Bedeutung des Potentialtopfs

Ein Potentialtopf ist in der Physik die Region um ein lokales Minimum der Potentialverteilung eines Systems. Anschaulich entspricht er einem Körper in einem Schwerefeld, etwa auf der Erde: Befindet sich der Körper in einem Topf, muss ihm genügend Energie zugeführt werden, damit er über den Rand angehoben wird und den Topf verlassen kann.

In einer Dimension wird die potentielle Energie als Funktion des Ortes dargestellt. Ein Teilchen mit der Energie E kann sich nach der klassischen Mechanik nur zwischen den Umkehrpunkten x₁ und x₂ bewegen und den Potentialtopf nicht verlassen.

Klassische und quantenmechanische Beschreibung

In der klassischen Physik ist die zum Verlassen eines Potentialtopfs notwendige Grenzenergie scharf festgelegt: Erst wenn ein Objekt genug Energie besitzt, um den Potentialwall zu überschreiten, kann es den Bereich verlassen.

In der Quantenmechanik gilt diese Grenze nicht strikt. Atomare Teilchen können auch dann eine – wenn auch geringe – Aufenthaltswahrscheinlichkeit außerhalb des Potentialtopfs haben, wenn ihre Energie kleiner ist als die zum Überschreiten des Potentialwalls nötige Energie. Voraussetzung ist, dass das Potential außerhalb niedriger ist als die Energie des Teilchens. Dieses Verhalten heißt Tunneleffekt und erklärt beispielsweise den Alpha-Zerfall.

Potentialberg und Kernpotentiale

Ein Potentialberg ist das Gegenteil eines Potentialtopfs: Er bezeichnet die Region um ein lokales Maximum der Potentialverteilung.

Auch im Atomkern können Potentialtöpfe betrachtet werden, beispielsweise getrennt für Neutronen und Protonen.