Il cosiddetto effetto tunnel costituisce una delle più curiose manifestazioni della natura quantistica della materia. La sua fenomenologia si può racchiudere in un esempio: abbiamo di fronte a noi un muro alto diversi metri e lo dobbiamo superare. Apriamo il nostro libro di fisica classica, e dopo poco ci convinciamo che l'unico modo è arrampicarci con pazienza fino in cima, ovvero portarci a una energia potenziale gravitazionale più alta rispetto a quella del muro. L'arrampicata ci costerà un'energia pari al guadagno di energia potenziale gravitazionale. Saltando giù dalla parte opposta, riavremo indietro l'energia spesa sotto forma di energia cinetica. Se invece apriamo il libro di fisica quantistica, scopriamo che c'è un altro metodo che potrebbe funzionare: se corriamo (con fiducia...) verso il muro, c'è una certa probabilità non nulla di riuscire ad attraversarlo (senza demolirlo) e di ritrovarci a correre indisturbati dalla parte opposta. Come se avessimo attraversato un tunnel. La nostra esperienza quotidiana ci suggerisce (anche senza provare) che questo fenomeno non avviene mai per gli oggetti macroscopici; viene invece osservato sotto vari aspetti nello scenario (quantistico) delle particelle elementari.

L'interazione di una particella in moto con una barriera di energia potenziale (per esempio dovuta a un campo elettrico o alla combinazione di forze attrattive e repulsive) viene descritta solitamente sfruttando la natura ondulatoria delle particelle elementari. In tal modo è possibile calcolare la probabilità che l'incontro con l'ostacolo produca una riflessione o che la barriera sia attreversata. L'aspetto puramente quantistico sta nel fatto che la probabilità di attraversamento non si annulla nel caso in cui l'energia della particella sia inferiore all'altezza della barriera. La "trasparenza" è determinata essenzialmente dall'altezza della barriera, dalla sua larghezza e dalla massa della particella. Come risulta intuitivo, l'attraversamento è tanto più facile quanto la barriera risulta bassa (rispetto all'energia della particella) e stretta; inoltre si riduce rapidamente a zero non appena la massa della particella in esame supera i limiti del modo subatomico (ricordiamoci che la massa di un elettrone è dell'ordine di 10^-30 kg).

Da un altro punto di vista possiamo inquadrare il fenomeno grazie al principio di indeterminazione di Heisemberg: il piccolissimo grado di indeterminazione esistente tra i vari livelli di energia e tempo, si traduce in rapidissime fluttuazioni dei sistemi microfisici. Per tempi che si aggirano intorno al miliardesimo di trilionesimo di secondo, un gruppo di elettroni pur prendere a prestito dal "nulla" sufficiente energia e oltrepassare una barriera di potenziale altrimenti insuperabile.

L'effetto tunnel viene sfruttato nei moderni microscopi a scansione capaci di visualizzare la superficie dei solidi con risoluzione atomica, cosa del tutto impensabile fino a pochi decenni or sono. Applicando una differenza di potenziale tra la superficie in esame e una affilatissima punta metallica posta a qualche nanometro di distanza, si creano le condizioni per il passaggio di una corrente di elettroni che saltano dalla punta al campione per effetto tunnel. La dipendenza esponenziale dell'intensità di tale corrente dalla distanza punta-superficie consente di misurare variazioni di "quota" sulla superficie stessa minori delle dimensioni degli atomi che la costituiscono. Alcuni spettacolari esempi di immagini di sistemi reali si possono vedere ad esempio visitando il sito http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/corral.html

L'effetto tunnel gioca un ruolo decisivo anche nel campo della fisica nucleare. Ad esempio, per penetrare in un nucleo e dar luogo a una reazione nucleare, un protone deve superare la barriera di potenziale che risulta dalla combinazione della repulsione coulombiana col campo attrattivo delle forze nucleari (di intensità molto più elevata ma di raggio d'azione estremamente breve). Si osservano comunemente reazioni nucleari prodotte da protoni od altre particelle cariche di energia inferiore all'altezza della barriera suddetta. Della stessa natura è il fenomeno della radioattività alfa.