Elektronen verlassen Material wenn man es erhitzt, irgendwann hat es keine Elektronen mehr?
Hi!,
ich bräuchte eure Hilfe bei einer Verständnisfrage.
Nehmen wir irgendein Material, welches wir erhitzen. Ab einer bestimmten Temperatur können sich die Elektronen lösen, weil sie genug Energie haben, und "fliegen" einfach weg. Wenn wir das lang genug machen, dann müssten dem Material irgendwann die Elektronen ausgehen, wenn es sich diese nicht von der Umgebung wieder zurückholen kann. Also wenn man eine "Elektronenquelle" braucht, zum Beispiel für ein Elektronenmikroskop, oder bei Solarzellen (ja da geht es nicht um Erhitzen sondern um Lichteinstrahlung), müssten sich die Atome (also das ganze Material) dann nicht einfach irgendwann "auflösen", weil ihnen die Elektronen ausgehen? Wieviele Elektronen sind dann in einem 1mm³ großen Siliziumstück in einer Solarzelle drinnen und wie holt sich das Silizium dann seine Elektronen wieder zurück damit es sich nicht auflöst?
Ich freue mich über jede Antwort, und danke schon mal im voraus für die Mühe!
LG
5 Antworten
Wenn Elektronen durch den glühelektrischen Effekt ein Metall verlassen, dann ist das Metall positiv und von einer negativen Elektronenwolke umgeben. Weitere Elektronen aus dem Metall in das Vakuum zu bringen erfordert dabei immer mehr Energie, so dass sich ein Gleichgewicht einstellt. Erst wenn man eine Stromquelle anschließt, kann ein Strom fließen und der Vorgang geht beliebig lange weiter (alte Elektronenröhren), Lampen.
Ja, wenn man ein Stück Metall erhitzt, dann lösen sich Elektronen. Das liegt einerseits an der freien Beweglichkeit von Elektronen in Metallen (Elektronensee) und, wie Du richtig schreibst, an der zugeführten Energie.
Es werden nicht alle verschwinden, denn einerseits werden Elektronen für die Gitterbindung im Metall gebraucht - die sind nicht "frei" wie die anderen und wenn Elektronen ausgelöst wurden, wird der Körper positiv geladen und hölt somit die übrigen Elektronen stärker zurück.
Wenn Du noch mehr Energie zuführst, dann schmilzt das Material irgendwann bzw. verdampft - bei noch mehr Energie wird es zu Plasma (also der völligen Ablösung der Elektronen von den pos. Kernen der Atome)
Bei Solarzellen gegen die Elektronen grob gesagt nur auf die andere Seite des Materials - wenn Du die dann nicht durch einen geschlossenen Stromkreis abführts, baut sich ein Gegenpotiential zu der Solarspannung auf. Wenn Du den Stromkreis schließt, dann kommen sie auf der anderen Seite ja wieder zurück ...
Zum Silizium:
1 mm³ * Dichte von Silizium = Masse des Kunikmillimeters
geteilt durch die Atommasse des Siliziums (siehe Tafelwerk 28,085 u - wobei 1u rund 1,66*10 hoch -27 kg ist) = Anzahl der Silizium-Atome
- 14 = Anzahl der Elektronen in dem Kubikmillimeter reinem Siliziums
WIeso?
Silizium - Ordnungszahl 4 = Kernladungszahl = Elektronenanzahl
(pro Atom)
also das was oben raus kommt mal 14 - den fette Knubbel statt des * - Punktes hat GuteFrage hin gemacht.
2,33 mg = 2,33 * 10 ^- 6 kg
2,33 * 10 ^- 6 kg / (28,085 * 1,66 * 10 ^ -27 kg) = 49977370761307648253,687
(aufrunden und * 14)
macht 699683190658307075556 Elektronen
also rund 7 * 10 ^20 (wenn ich mich nicht verzählt habe)
Hallo sebi1507,
Es gibt verschiedene Materialien aus denen Solarzellen hergestellt werden und die Funktionsweise ist ziemlich kompliziert. SIe beruht im Grunde auf der Funktionsweise einer Photodiode, bei der durch auftreffen der Photonen sogenannte "freie Ladungsträger" entstehen, welche dann durch ein internes elektrisches Feld in Bewegung gesetzt werden. Genaueres solltest du am besten selbst im Internet oder geeigneter Literatur nachlesen.
Es sei aber noch gesagt, dass das "herauslösen" von Elektronen aus tiefer liegenden (inneren) Schalen (Hauptquantenzahl) der Atome eine so rießige Menge an Energie benötigt, dass das sicherlich nicht durch die bloße Sonneneinstrahlung geschehen kann (ansonsten würden ja alle Metalle, die Sonnenlicht ausgesetzt ist sich nach einiger Zeit extrem stark ionisiert werden - die Kerne (sprich die Hauptmasse d. Atome) wären ja noch vorhanden, bis sie dann auch zerfallen ... ). Das Herausschlagen von Elektronen aus Atomen ist proportional zur Wellenlänge des Lichts und spezifisch für jedes Metall. In jedem Fall ist die Abgabe innerer Elektronen aber wesentlich energetisch aufwendiger als die der Valenzelektronen!
Dies kannst in Grundlagenbüchern der physikalischen Chemie näher nachlesen!
Das Herausschlagen von Elektronen aus Atomen ist proportional zur Wellenlänge des Lichts
muss heißen -> umgekehrt proportional
denn E = h*f und f = c / lamda
es lösen sich tatsächlich elektronen aber durch das lösen entsteht auch eine positive ladung die wiederum elektronen anzieht. Denn alles im Uneversum versucht sich zu neutralisieren.
Bei der solarzelle wandern die elektronen von einer seite zu der anderen über den verbrucher, somit ist ein stromkreis geschlossen, sie verschwinden nicht.
Jein.
Man muss hier zunächst zwischen Metallen und anderen Stoffen unterscheiden:
Wenn man Metall erhitzt, dann werden einige der Elektronen herausgestoßen. Bei Metallen werden die äußeren Elektronen der Atome zwischen den Atomen "geteilt", so dass diese nicht mehr einem einzelnen Atom zugeordnet werden können. Diese Elektronen spielen eine wichtige Rolle beim Zusammenhalt des Metalls - also für den flüssigen und festen Zustand. Dies bedeutet, dass wenn man diese Elektronen wegnehmen würde, das Metall sofort verdampfen würde. Selbst dann wären aber noch die inneren Elektronen an den Atomen dran. Ein Metall verdampft übrigens wesentlich früher, als dieser Zustand erreicht ist.
Bei kovalent gebundenen Stoffen (z.B. Duroplasten ("Plastik") aber auch reinem Silizium) führt eine Erhitzung des Stoffes nicht zum Austreten von Elektronen. Sobald die Elektronen ihren Platz verlassen, zersetzt sich der Stoff. Ein Beispiel hierfür ist das Verkohlen des Essens, wenn man es zu lange in der Pfanne lässt.
Erhitzt man einen bereits gasförmigen Stoff noch höher (und zwar in den Bereich Größenordnung mehrere Millionen Grad hinein), so werden meines Wissens irgendwann tatsächlich die Elektronen von den Atomen abgeschüttelt. Diesen Zustand der Materie dann aber noch als "Material" zu bezeichnen, ist schon sehr gewagt.
Zum Silizium: Reines Silizium gibt bei der Erhitzung keinerlei Elektronen ab, da es kovalent gebunden ist. Für die Halbleiterherstellung (also auch Solarzellen) wird es dotiert - es werden also mit Absicht Materialfehler eingebracht, so dass Elektronen sich im Material bewegen können.
Wieviele bewegliche Elektronen im Silizium vorhanden sind, hängt davon ab, wie viele Fehlstellen ins Material eingebracht wurden. (Die Anzahl der unbeweglichen Elektronen lässt sich (mit geringem Fehler) über die Dichte, die Atommasse und die Ordnungszahl ausrechnen.)
Bevor n-dotiertes Silizium (mit p-dotiertem würde es wahrscheinlich gar nicht gehen) so stark erhitzt wäre, dass alle freien Elektronen das Material verlassen haben, wäre das Material aber wahrscheinlich längst verdampft.
Das Prinzip einer Solarzelle ist übrigens ein anderes:
Die Solarzelle besteht aus unterschiedlich dotierten (p- und n-Dotierung) Schichten. Dabei können die Elektronen nur in eine Richtung fließen. Lichteinfall sorgt dafür, dass dies auch passiert. Da die Elektronen aber versuchen werden, sich wieder gleichmäßig im Material zu verteilen, haben sie nur eine Chance: Sie müssen durch die angeschlossene Leitung aus einer Schicht herausfließen und durch die andere Leitung wieder in die andere Schicht hineinfließen. So kommt es zu einem Stromfluss.
Die Anzahl der Elektronen in der Solarzelle ändert sich dadurch aber nicht, da durch eine Leitung immer genau so viele Elektronen nachfließen, wie durch die andere abgezogen werden!
die 14 am Ende kommt mir reichlich untertrieben vor, ansonsten super antwort ;)