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陽子トンネル効果は、あるサイトの陽子が瞬時に消滅し、ポテンシャル障壁で隔てられた隣接するサイトに同じ陽子が出現する量子トンネル効果の一種です。利用可能な2つのサイトは、形状、幅、高さが境界条件によって決定される二重井戸ポテンシャルによって境界付けられています。WKB近似によれば、粒子がトンネルする確率は、その質量とポテンシャル障壁の幅に反比例します。電子トンネル効果はよく知られています。陽子は電子の約2000倍の質量を持つため、トンネルする確率ははるかに低くなります。しかしながら、ポテンシャル障壁の幅が狭くなる低温高圧下では、陽子トンネル効果は依然として発生します。
プロトントンネル効果は通常、水素結合と関連付けられます。水素を含む多くの分子では、水素原子は一方の端で水素結合を介して、もう一方の端で共有結合を介して2つの非水素原子に結合しています。電子を失った水素原子はプロトンになります。電子はもはや水素結合で水素原子に結合していないため、これは、前述のように、二重井戸ポテンシャルの井戸の1つにプロトンが留まっているのと同等です。プロトントンネル効果が発生すると、水素結合と共有結合が入れ替わります。プロトントンネル効果が発生すると、二重井戸ポテンシャルが対称であれば、同じプロトンが元の位置にトンネルする確率は同じになります。
DNA鎖の塩基対は水素結合によって連結されています。本質的に、遺伝暗号は水素結合の独特な配置によって保持されています。DNA鎖の複製時にプロトントンネル効果が発生し、水素結合の配置が変化する可能性があると考えられています。これにより遺伝暗号がわずかに変化し、それが突然変異の基礎となります。[ 1 ]同様に、プロトントンネル効果は細胞の機能不全（腫瘍や癌）や老化の発生にも関与していると考えられています。
プロトントンネル効果は、氷などの多くの水素系分子結晶で発生します。氷の六方晶相（氷 Ih）と斜方晶相（氷 XI ）間の相転移は、プロトントンネル効果によって可能になると考えられています。[ 2 ]氷のクラスターにおける相関プロトントンネル効果の発生も最近報告されています。[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]