Erzeugung von freien Elektronen (Überblick)

Dieses Kapitel passt ebenso gut in die Elektronik, wie in den Bereich der Atomphysik. So benötigt man für einen “Stromfluss” frei-bewegliche Ladungsträger, diese können Ionen oder auch Elektronen sind. Dies lässt sich am Beispiel Metall und Salz (im festen Zustand) erkennen. Metall wird aus einem Metallgitter aus positive geladenen Metallatomrümpfen (unbeweglich auf Gitterplätzen fixiert) und dem Elektronengas (delokalisierte Elektronen, verteilt zwischen den Metallatomen im Gitter) aufgebaut, weswegen ein Metall auch im festen Zustand elektrisch leitfähig ist. Salze werden aus positiv geladenen Kationen und negativ geladenen Anionen aufgebaut. Diese sind aber im festen Zustand auf ihren Gitterplätzen im Ionengitter fixiert und daher ist ein Salz im festen Zustand nicht elektrisch leitfähig (Ladungsträger sind vorhanden, aber  keine frei-beweglichen).

Erzeugung von frei-beweglichen Elektronen

Im folgenden soll kurz erklärt werden, welche Möglichkeiten es gibt, frei bewegliche Elektronen zu erzeugen:

• Durch die sog. Ionisation lassen sich frei bewegliche Elektronen erzeugen. In diesem Verfahren werden durch hochenergetische Strahlung bei hohen Temperaturen aus den Elektronenhüllen von gasförmigen Moleküle bzw. -atomen Elektronen herausgeschlagen (das Gas wird hierbei ionisiert), so dass die Teilchen des Gases ionisch (d.h. geladen) und außerdem freie Elektronen vorhanden sind.

• Mit Hilfe der sog. Glühemission lassen sich ebenfalls frei bewegliche Elektronen erzeugen. Hierbei wird ein Metalldraht so erhitzt, dass den sogenannten Leitungs-Elektronen soviel Energie zugeführt wird, um das Metall- bzw. Metallatom zu verlassen. Mit Hilfe eines elektrischen Feldes können die “herausgeschlagenen” Elektronen in eine bestimmte Richtung abgelenkt werden, wobei der Glühdraht die Kathode der Elektronenbewegung ist.

• Ein anderes Verfahren zur Erzeugung von frei-beweglichen Elektronen ist das sog. Feldemission-Verfahren. Dabei wird ein Körper (in der Regel ein Metall)  in ein sehr hohes elektrisches Feld gebracht, das die Wechselwirkung der äußeren Elektronen mit dem positiv geladenen Atomkern vermindert, so dass einzelne Elektronen den Körper (aus der Elektronenhülle) ganz verlassen können.

• Eine bekannte Erzeugung von frei beweglichen Elektronen kennt inzwischen fast jeder. Durch den sog. Photoeffekt wird aus einem Halbleiter ein Elektron durch die Energie des Lichtes aus dem Leitungsband herausgeschlagen.

Obwohl es sich um scheinbar unterschiedliche Prozesse zur Erzeugung freibeweglicher Elektronen handelt, beruht das Prinzip immer auf dem Gleichen, der Wechselwirkung von Energie mit Elektronen. In allen Fällen wird ein Elektron aus einer Elektronenhülle in einem Atom bzw. aus dem Valenzband oder aus Leitungsband eines Festkörpers gelöst, indem es Energie absorbiert. Durch die zugeführte Energie wird die Wechselwirkung zwischen den positiven Protonen im Atomkern und den negative geladenen Elektronen so abgeschwächt, dass sich die Elektronen aus dem Wirkungskreis der Protonen entfernen können.

• Zusammenfassung Atomaufbau

• Abfrageprogramm: Grundlage der Naturwissenschaften