www.radartutorial.eu Grundlagen der Radartechnik

Atomaufbau

Atomhülle
Atomkern
Protonen
Neutronen
Elektronen

Bild 1: Der Aufbau eines Heliumatomes gemäß Bohr’schem Atommodell

Atomhülle
Atomkern
Protonen
Neutronen
Elektronen

Bild 1: Der Aufbau eines Heliumatomes gemäß Bohr’schem Atommodell

Atomaufbau

Kaum etwas in der Physik ist so veränderlich, wie die Vorstellungen über den Atomaufbau. Für die Erklärung verschiedener physikalischer Effekte werden Modelle genutzt, die alle zwar unvollkommen sind, aber für genau diese Erklärung ausreichen.

Ein Atom ist hauptsächlich aus Elektronen, Protonen und Neutronen aufgebaut. Die Elektronen, Protonen und Neutronen des eines Elementes sind identisch mit denen eines anderen Elementes. Der Unterschied zwischen den verschiedenen Elementen besteht nur in der unterschiedlichen Anzahl und der Anordnung von den Elektronen und Protonen.

Das Elektron hat eine kleine negative elektrische Ladung. Das Proton hat eine positive Ladung welche genauso groß wie die des Elektrons, aber von entgegengesetzter Polarität ist. Obwohl das Proton die gleiche Ladungsmenge wie das Elektron hat, beträgt seine Masse aber etwa das 1827-fache der Masse des Elektrons. In den meisten Atomen existieren auch noch elektrisch neutrale Bausteine, welche Neutronen genannt werden und deren Masse etwa der des Protons entspricht. Sie haben nur keinerlei elektrische Ladung.

Gemäß dem Bohr’schen Atom-Modell sind diese Elektronen, Protonen und Neutronen so angeordnet, dass sie einem Sonnensystem in Miniaturform ähneln. Betrachten Sie das Heliumatom in dem Bild 1. Zwei Protonen und zwei Neutronen bilden einen harten Atomkern mit der positiven elektrischen Ladung beider Protonen, um den zwei sehr leichte negative Elektronen kreisen. Die Umlaufbahn dieser Elektronen ist aber nicht so genau bestimmt, wie das Bild erscheinen lässt. Sie befinden sich nur immer in einem bestimmten Abstand, Orbitale genannt, zu dem Atomkern und müssen sich mit genau der Geschwindigkeit bewegen, die eine Fliehkraft („Zentrifugalkraft”) erzeugt, welche die Anziehungskraft der Protonen („Zentripetalkraft”) kompensiert. Genau wie ein Raumschiff Energie benötigt, um auf eine andere Umlaufbahn zu gelangen, benötigt auch das Elektron zusätzliche Energie, um auf eine vom Atomkern entferntere Umlaufbahn zu kommen. Das Elektron muss also eine bestimmte kinetische Energie haben, um sich auf einer bestimmten Umlaufbahn um den Atomkern herum zu bewegen. Diese Energie wird Energieniveau des Elektrons genannt. Ein Elektron, welches sich von einer weiter entfernten Umlaufbahn auf eine dichter an dem Atomkern befindliche Umlaufbahn bewegt, muss also Energie abgeben. Umgekehrt dagegen muss das Elektron Energie aufnehmen, um sich vom Atomkern zu entfernen.

N-Schale
M-Schale
L-Schale
K-Schale

Bild 2: Der Aufbau eines Kupferatomes gemäß Bohr’schem Atommodell

N-Schale
M-Schale
L-Schale
K-Schale

Bild 2: Der Aufbau eines Kupferatomes gemäß Bohr’schem Atommodell

Die den Atomkern umkreisenden Elektronen haben aber keinen zufälligen Abstand zum Atomkern, sondern dieser Abstand wird durch definierte Energieniveaus bestimmt. Vorstellen kann man sich diese verschiedenen Energieniveaus durch ineinander verschachtelte verschieden große Schalen um den Atomkern herum. Diese Schalen und die mögliche Anzahl von Elektronen in jeder dieser Schalen wird durch das Pauli- Prinzip bestimmt. Nach diesem Prinzip ergeben sich für die Energieniveaus folgende Besetzungszahlen für die Elektronenschalen:

K-Schale2 Elektronen(n=1)
L-Schale8 Elektronen(n=2)
M-Schale18 Elektronen(n=3)
N-Schale32 Elektronen(n=4)

Tabelle 1: mögliche Anzahl von Elektronen in den Schalen

Allgemein kann die Schale mit der Hauptquantenzahl n mit 2·n2 Elektronen besetzt werden. Zum Beispiel die 2. Schale, die L-Schale ist mit 2·22 also 8 Elektronen vollständig gefüllt. Mit Hilfe des Bohr’schen Atom-Modells lässt sich das Empfehlung Periodensystem der Elemente, das man vorher lediglich als formales Ordnungssystem angesehen hatte, auch physikalisch erklären.

Bändermodell

Leitungsband
verbotene Zone
Valenzband
Band-
abstand

Bild 3: Bändermodell eines Halbleiters (Eigenleitung)

Leitungsband
verbotene Zone
Valenzband
Band-
abstand

Bild 3: Bändermodell eines Halbleiters (Eigenleitung)

Die in einer Atomhülle angeordneten Elektronen haben alle ein bestimmtes Energieniveau. Je weiter ein Elektron vom Atomkern entfernt ist, desto größer ist sein Energieniveau. Ein Elektron kann Energie in Form von elektrischen Feldern, durch Wärme oder durch Licht aufnehmen. Ist das Energieniveau des Elektrons so groß, dass die positive Ladung des Atomkerns dieses nicht mehr in einem Orbital festhalten kann, dann verlässt es das Atom und wird zu einem freien Leitungselektron. Diese Leitungselektronen haben also sehr viel mehr Energie als die Bindungselektronen (die sogenannten Valenzelektronen).

Man kann die elektrischen Leitungsvorgänge übersichtlich darstellen, indem man die verschiedenen möglichen Energiezustände von Elektronen in einem Energieschema darstellt. Die Valenzelektronen werden energetisch im Valenzband, die Leitungselektronen im Leitungsband zusammengefasst. Die Energiedifferenz heißt Bandabstand.

Auf Grund der Existenz einer Mindestenergie, die zur Freisetzung von Valenzelektronen erforderlich ist, kann der Energiebereich E mit EV<E<EL für bewegliche Ladungsträger, die aus einem regulären Gitter stammen, nicht eingenommen werden. Dieser Energiebereich heißt „verbotene Zone”.

Die Beschreibung elektrischer Leitungsvorgänge mit Hilfe des Energieschemas von Leitungsband und Valenzband wird als Bändermodell bezeichnet.

Leitungsband
verbotene
Zone
Valenzband
Isolator
Halbleiter
Leiter

Bild 4: Bändermodell verschiedener Materialien

Leitungsband
verbotene
Zone
Valenzband
Isolator
Halbleiter
Leiter

Bild 4: Bändermodell verschiedener Materialien

Die Energiedifferenz ΔE die das Valenzband vom Leitungsband trennt, ist eine wichtige Größe, mit Hilfe derer Isolatoren, Halbleiter und elektrische Leiter charakterisiert werden können. Die unterschiedliche Größe der verbotenen Zone wird für 1. Isolatoren, 2. Halbleiter und 3. elektrische Leiter im Bild 4 gezeigt.

Isolatoren haben einen sehr großen Bandabstand. Je größer der Bandabstand, desto mehr Energie ist notwendig, damit ein Valenzelektron ein freies Leitungselektron werden kann. Das heißt, je mehr Energie für auch sehr kleine Ströme benötigt wird, desto besser isoliert also der Isolator. Die verbotene Zone ist also sehr groß.

Bei einem Halbleiter ist diese verbotene Zone schon etwas schmaler. Schon die Zuführung von etwas mehr Wärmeenergie ermöglicht doch einen Stromfluss. Bei dem Halbleiter Germanium genügen z.B. schon etwa 50° Celsius, um einen merklichen Stromfluss zu ermöglichen.

Das letzte Diagramm zeigt, dass das Valenzband eines Leiters in das Leitungsband übergeht. Es ist praktisch keine verbotene Zone vorhanden. Nur wenig Energiezufuhr kann Valenzelektronen in freie Leitungselektronen umwandeln. Deshalb sind diese Elemente gute elektrische Leiter.