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.

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Erzeugung von freien Elektronen (Überblick) – Testfragen/-aufgaben

1. Was sind freie Elektronen?

In Materialien bezeichnet man Elektronen, die so viel Energie besitzen, dass sie sich vom Einfluss ihrer Atomkerne lösen und sich relativ frei im Material bewegen können, als freie Elektronen.

2. Was ist die Photonenenergie und wie kommt sie ins Spiel bei der Erzeugung von freien Elektronen?

Die Photonenenergie ist die Energie, die ein einzelnes Lichtquant oder Photon besitzt. Wenn diese Energie ausreicht, um die Bindungsenergie eines Elektrons zu überwinden, kann das Elektron freigesetzt werden und somit ein freies Elektron erzeugen.

3. Was ist der Photoelektrische Effekt und was hat er mit der Erzeugung von freien Elektronen zu tun?

Der photoelektrische Effekt ist ein Phänomen, bei dem Elektronen aus einem Material ausgelöst werden, wenn es mit Licht bestrahlt wird. Hierbei werden freie Elektronen erzeugt.

4. Was ist Ionisation und wie führt sie zur Erzeugung von freien Elektronen?

Ionisation ist ein Prozess, bei dem ein Atom oder Molekül ein Elektron verliert und dadurch zu einem Ion wird. Dieser Vorgang setzt freie Elektronen frei.

5. Was ist die Bindungsenergie und welche Rolle spielt sie bei der Erzeugung von freien Elektronen?

Die Bindungsenergie ist die Energie, die benötigt wird, um ein Elektron von seinem Atomkern zu trennen. Wenn diese Energie überschritten wird, kann ein freies Elektron erzeugt werden.

6. Was ist Thermische Emission und wie führt sie zur Erzeugung von freien Elektronen?

Thermische Emission, auch als thermionische Emission bekannt, tritt auf, wenn ein Material aufgrund von thermischer Energie Elektronen freisetzt. Solche Elektronen werden als freie Elektronen bezeichnet.

7. Wie werden freie Elektronen in Halbleitern erzeugt?

In Halbleitern werden freie Elektronen hauptsächlich durch den thermischen Anregungsprozess erzeugt, bei dem Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband springen.

8. Was ist das Fermi-Niveau und welche Rolle spielt es bei der Erzeugung von freien Elektronen?

Das Fermi-Niveau ist das Energieniveau, bei dem die Wahrscheinlichkeit, ein Elektron zu finden, 50% beträgt. Bei Temperaturen über dem absoluten Nullpunkt gibt es immer einige Elektronen, die genug Energie haben, um das Fermi-Niveau zu übersteigen und somit freie Elektronen werden.

9. Wie sind freie Elektronen mit elektrischer Leitfähigkeit verbunden?

Die Anzahl der freien Elektronen in einem Material bestimmt dessen elektrische Leitfähigkeit. Je mehr freie Elektronen vorhanden sind, desto besser leitet das Material den Strom.

10. Was sind Löcher im Kontext von Halbleitern und freien Elektronen?

Löcher entstehen in Halbleitern, wenn ein Elektron aus dem Valenzband in das Leitungsband springt und dabei einen “leeren Platz” im Valenzband hinterlässt. Diese Löcher können sich ebenfalls durch das Material bewegen und tragen somit zur Leitfähigkeit bei.

Autor: , Letzte Aktualisierung: 08. Oktober 2024