Der quantenmechanische Tunneleffekt ist das mit den Gesetzen der klassischen Physik nicht zu erklärende Phänomen, dass ein Quantenobjekt eine Potenzialbarriere überwinden kann, deren Höhe (potenzielle Energie) größer ist als seine eigene Energie. Ein einfaches Beispiel ist ein Alphateilchen in einem radioaktiven Atomkern, das den von den Kernkräften erzeugten Potenzialwall durchtunnelt.
Im Wellenbild kann man den Tunneleffekt so deuten, dass ein Teil der Wahrscheinlichkeitswelle des einfallenden Teilchens am Potenzialwall reflektiert wird, während der andere eindringt und dort exponentiell gedämpft weiterläuft. Daher nimmt die Wahrscheinlichkeit für das Durchtunneln exponentiell mit der Dicke des Walls ab. Ist die Wahrscheinlichkeit am anderen Ende der Barriere noch nicht auf einen unmessbar kleinen Wert abgefallen, kann sich der Teil der Welle, der nicht zurück in den Wall reflektiert wird, sich im Außenraum frei ausbreiten.
Die berechnete Tunnelwahrscheinlichkeit hängt von der Höhe des Walls ab, also der Differenz zwischen der Energie des tunnelnden Teilchens und der maximalen potenziellen Energie im verbotenen Bereich. Die daraus abgeleiteten Werte für die Halbwertszeiten von Alphastrahlern stimmen sehr gut mit den Messwerten überein.
Man macht sich den Tunneleffekt u. a. im Rastertunnelmikroskop zunutze.