Festkörperphysik

Beim photoelektrischen Effekt wird Licht in Strom umgewandelt. 

Bohr postulierte, dass sich das Elektron stets auf diskreten Kreisbahnen um den Atomkern bewegt. Das Elektron ändert seinen Energiezustand damit nicht stetig, sondern diskret.

Geht ein Elektron von einem stationären Zustand auf einen stationären Zustand mit niedriger Energie über, so wird ein Photon emittiert und Licht entsteht. Das Atom bleibt stabil.

In der Quantenmechanik wird ein Elektron durch eine Wellengleichung beschrieben, wie es klassischerweise für Licht- und Schallwellen üblich ist. Dies wurde von Erwin Schrödinger (1887–1961) mathematisch entwickelt, wobei die komplexen Zahlen eine wichtige Rolle spielen. Scheinbare Widersprüche zwischen Teilchen und Wellen wurden so überwunden

Beim Photoeffekt werden durch Lichteinstrahlung aus einer Metalloberfläche Elektronen herausgeschlagen, was zu einer positiven Ladung des Metallstücks führt, auch Kathode genannt. Befindet sich die Kathode gegenüber einer Anode, einem negativ geladenen Metallstück, erreichen eine gewisse Anzahl der herausgeschlagenen Elektronen diese Anode und es fließt Strom. Legt man eine positive Spannung an die Anode an, so kommen immer mehr der herausgeschlagenen Elektronen an. Bei einer negativen Spannung werden es weniger. Bei einer maximal negativen Spannung kommen gar keine Elektronen mehr an und der Strom hört auf zu fließen. Interessanterweise stellte sich heraus, dass zur Bestimmung dieser maximalen negativen Spannung die Lichtintensität, mit der das Licht auf die Kathode trifft, keine Rolle spielte. Klassischerweise hätte eine höhere Lichtintensität zu einer höheren kinetischen Energie der Elektronen führen müssen, welche wiederum eine noch größere negative Spannung gebraucht hätte, um den Strom auf null zu reduzieren bzw. dort zu halten. Einstein erklärte dies damit, dass Licht in kleinen Einheiten, den Photonen, auftritt und nicht gleichmäßig im Raum verteilt ist. Wird nun das Elektron aus der Kathode herausgeschlagen, erhält es die Energie eines Photons. Erhöht sich durch die gesteigerte Lichtintensität die Anzahl der Photonen, die auf die Kathode treffen, so kann ein Elektron doch nicht mehr Energie als die eines Photons aufnehmen

Das Metallatom gibt ein oder mehrere Elektronen ab, die das Nichtmetallatom aufnimmt. Die positiven und negativen Ionen ziehen sich an und bilden ein Kristallgitter.

Z. B. NaCl.

Verbindung von mindestens zwei Nichtmetallen, die sich ein oder mehrere Elektronenpaare teilen.

Z. B. O2.

Es handelt sich hierbei um Atombindungen, da Nichtmetalle eine Bindung eingehen.

Die Atome teilen sich Elektronenpaare gemeinsam

Es handelt sich hierbei um Ionenbindungen. Diese bestehen zwischen einem Metallatom und Nichtmetallatom.

Die dabei entstehenden positiven und negativen Ionen ziehen sich an und bilden ein Metallgitter

Da sich Magnesium in der zweiten Hauptgruppe des Periodensystems befindet, gibt es zwei Elektronen ab. Es entsteht dabei das Ion Mg2+. Chlor dagegen befindet sich in der siebten Hauptgruppe und nimmt ein Elektron auf. Es entsteht Cl– . 

Stoffe, die sich im festen Aggregatzustand befinden, werden Festkörper genannt.

Kristalline Festkörper sind Festkörper, deren Teilchen in Gittern angeordnet sind. Die Teilchen befinden sich an festen Orten und haben eine Struktur, die sich wiederholt.

Makromolekulare Festkörper, die aus Tausenden von Atomen bestehen. Beispiele: Plexiglas, Grafit

Sie haben diese Anordnung angenommen, da diese das kleinstmögliche Energieniveau für sie bedeutet.

In diesem Gleichgewicht schwingen die Teilchen leicht hin und her. Die Schwingungen werden umso stärker, je höher die Temperatur wird. Ist der klar definierte Schmelzpunkt erreicht, übersteigt die kinetische Energie die Bindungsenergie. Die Folge ist, dass der Kristall schmilzt.

Dieser Vorgang lässt sich zum Beispiel bei Zucker beobachten und wird in der Küche als Karamellisieren bezeichnet

a) Diamant, b) Plexiglas, c) Grafit, d) Kunststoffe. 

Bei niedrigen Temperaturen befinden sich die Elektronen auf den unteren Bändern. Das oberste gefüllte Band ist das Valenzband der Valenzelektronen. Das alleroberste Band, auch Leitungsband genannt, ist leer. Liegt nun das leere Leitungsband direkt über einem gut gefüllten Valenzband oder überlappt es sich sogar, so wandern die Elektronen bei steigender Temperatur nach oben in das leere Band. Diese thermische Anregung ist vergleichsweise gering. Durch weitere Energiezufuhr über ein elektrisches Feld können die Elektronen dann dazu gebracht werden, vermehrt in das Leitungsband aufzusteigen und sich komplett von ihrem Kern zu lösen. Elektrischer Strom fließt. Stoffe mit dieser Bänderstruktur sind gute Leiter.

Typische Halbleiter sind Silizium (Si) und Germanium (Ge).

Bei niedrigen Temperaturen verhalten sich beide Stoffe wie Isolatoren. 

spezifischer Widerstand des Materials

• Leiter: zwischen 10–10 und 10–5 Ωm,
• Halbleiter: zwischen 10–5 und 107 Ωm,
• Isolatoren: zwischen 107 und 1018 Ωm.

Siliziumatome werden durch Arsenatome ersetzt; n-Halbleiter