1 Elektronentheorie

1.1 Atommodell

1.1.1 Das Bohrsche Atommodell

Substanzen, die man auf chemischem Weg nicht weiter zerlegen kann, nennt man chemische Elemente und die kleinste Einheit eines Elements ist das Atom. Bereits im antiken Griechenland ist man von dieser Annahme ausgegangen, es wurde jedoch das Atom (ατομοσ = „das Unteilbare“) als unteilbar angenommen. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts zeigten Experimente, dass das Atom eine innere Struktur aufweisen muss, um gewisse Phänomene zu erklären. Niels Bohr hat 1913 ein Atommodell (atomic model) aufgestellt, welches sich im Wesentlichen noch heute als anschauliches Bild bewährt.
Das Bohrsche Atommodell in seiner einfachsten Form trifft bezüglich des Aufbaus des Atoms folgende Aussage:

Das Atom besteht aus einem Atomkern, der von Elektronen (electron e-) auf kreisförmigen
oder elliptischen Bahnen umkreist wird.

Die Bahnen, auf denen sich die Elektronen bewegen, werden, egal ob sie kreisförmig oder elliptisch sind, auch als Schalen bezeichnet.

1.1.2 Elementarteilchen

Untersucht man den Atomkern genauer, so weist auch dieser eine innere Struktur auf. Es treten hier zwei weitere Teilchen in Erscheinung, das Proton (proton p) und das Neutron (neutron n).

Die bisher genannten Teilchen, Elektron, Proton und Neutron, werden als Elementarteilchen (elementary particles) bezeichnet, da sie für den Aufbau der gesamten Materie zuständig sind. Das Bohrsche Atommodell kann daher verbessert werden:

Der Atomkern ist aus Protonen und Neutronen aufgebaut, die Elektronen umkreisen den Kern
auf kreisförmigen oder elliptischen Bahnen.

Die Elementarteilchen selbst haben eine Eigenschaft, die für die Elektrotechnik von wesentlicher Bedeutung ist: Ladung (charge).

1.1.3 Schalenbesetzung im Einzelatom

Bei der Erklärung des Atommodells wurde bereits erwähnt, dass sich die Elektronen in der Hülle des Atoms auf kreisförmigen bzw. elliptischen Bahnen, den sogenannten Schalen, anordnen.

Diese Schalen werden, beginnend bei der dem Kern am nächsten liegenden, mit Großbuchstaben von K bis Q bezeichnet. Die Anzahl der Elektronen, die auf einer Schale Platz finden, ist begrenzt. Sie ist abhängig davon, wie weit die Schale vom Atomkern entfernt ist und nimmt mit steigendem Abstand zu.

In der Tabelle ist die maximale Anzahl der Schalenelektronen angeführt:

Bei der Besetzung der Schalen gilt folgender Grundsatz: die Schalen werden beginnend mit der innersten Schale befüllt, erst wenn die Schale vollständig befüllt ist, dann wird mit der Befüllung der nächsten Schale begonnen.

Dies sieht für die ersten drei Elemente des Periodensystems der Elemente folgendermaßen aus:

Bei einem Einzelatom werden die Schalen von innen beginnend mit Elektronen befüllt.

Außerdem weisen bei einem Einzelatom die einzelnen Schalen genau definierte, konstante Abstände zum Atomkern auf.

Bei einem Einzelatom haben die Schalen einen bestimmten, konstanten Abstand zum Atomkern.

1.1.4 Das Bändermodell

In der Realität kommen Einzelatome jedoch nicht vor, sondern es verbinden sich immer mehrere Atome zu größeren Gruppen, den sogenannten Molekülen (molecules). Diese bilden die Grundlage für größere Körper.

Anmerkung: in größeren Körpern befinden sich sehr viele Atome bzw. Moleküle, so enthält z.B. Wasserstoff, der das leichteste Element im Periodensystem darstellt, ca. 6·1023 Atome pro Gramm, d.h. in einem Gramm Wasserstoff sind ca. 600000000000000000000000 Atome enthalten.

Da in einem Molekül und in größeren Körpern die einzelnen Atome sehr nahe nebeneinander liegen, kommt es zu einer gegenseitigen Beeinflussung. Diese gegenseitige Beeinflussung wird durch die Aufweitung der Schalen zu sogenannten Bändern sichtbar (wovon sich die Bezeichnung „Bändermodell“ ableitet). Innerhalb dieser Bänder können sich nun die Elektronen wie auf den Schalen bewegen, sie müssen nun aber keinen konstanten Abstand zum Atomkern einhalten. Zwischen den Bändern befinden sich Bereiche, in denen sich die Elektronen nicht auf Dauer aufhalten können. Diese werden als „verbotene Zonen“ bezeichnet.

In Molekülen und größeren Körpern bilden sich durch die gegenseitige Beeinflussung der Atome
Bänder und verbotene Zonen.

Abhängig von der Befüllung der Bänder mit Elektronen unterscheidet man Bindungsbänder und Leitungsbänder.

Ein Bindungsband (eine andere Bezeichnung lautet Valenzband) ist prinzipiell zu Gänze mit Elektronen befüllt. Die Elektronen eines Bindungsbandes sind sehr stark an den Atomkern gebunden. Sind mehrere Bänder vollständig mit Elektronen befüllt, dann besitzt das Molekül mehrere Bindungsbänder.

Im Gegensatz dazu ist ein Leitungsband niemals zur Gänze mit Elektronen befüllt. Die Elektronen des Leitungsbandes sind sehr schwach an den Atomkern gebunden und verursachen die Leitfähigkeit eines Materials. Im Allgemeinen besitzen Moleküle nur ein Leitungsband, das sich immer über den Bindungsbändern befindet (im Bild 1-7 sind die beiden unteren Bänder, die aus der K- und der L-Schale entstanden sind, Bindungsbänder, das oberste Band, das aus der M-Schale entstanden ist, ist ein Leitungsband). Einen Sonderfall stellen sogenannte Halbmetalle dar, bei denen es zwei, sich überlappende Leitungsbänder gibt.

Abhängig vom Befüllungsgrad der Bänder unterscheidet man zwischen
Bindungs- und Leitungsbändern.

Anmerkung: innerhalb der verbotenen Zonen können sich Elektronen zwar nicht auf Dauer aufhalten, sie können die verbotene Zone aber durch die Zufuhr von Energie, z.B. in Form von Wärme, durchqueren!

Anmerkung: die Bezeichnung „Halbmetall“ kennzeichnet chemische Elemente, die im Periodensystem der Elemente zwischen den Metallen und den Nichtmetallen liegen. Darunter fallen Elemente der III. bis zur VI. Hauptgruppe und damit auch der klassische Halbleiter „Silizium“.
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