Frage von Usedefault, 62

Verteilen sich Elektronen symmetrisch?

Hallo!

Wenn man eine Eisenkugel hat und diese ist in Gesamtheit elektrisch neutral, so befinden sich alle Elektronen in Orbitalen, oder?

Wenn ich nun 1 Elektron hinzufüge, so werden sich alle anderen neu ausrichten oder? Wo wird nun 1 Elektron zu viel sein? In der Mittel oder am Rand oder wo?

Lg

Hilfreichste Antwort - ausgezeichnet vom Fragesteller
von Franz1957, Community-Experte für Physik, 26

Zum Stichwort Orbitale ein Hinweis: In einem Metallstück befindet sich nur ein Teil der Elektronen in Orbitalen um einzelne Atomkerne. Die restlichen Elektronen bewegen sich frei in dem gesamten Metallkörper und bildet dort ein sog. Elektronengas. Man kann auch sagen, daß sie Orbitale besetzen, die sich über den ganzen Metallkörper ausdehnen. Dies ist der Grund für die elektrische Leitfähigkeit des Metalls.

https://de.wikipedia.org/wiki/Metallische\_Bindung

http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/11/aac/vorlesung/kap\_4/vlu/met...

https://www.uni-ulm.de/fileadmin/website\_uni\_ulm/nawi.inst.251/Didactics/elekl...


Kommentar von Usedefault ,

Was ich bereits herausgefunden habe, bilden die Valenzorbitalelektronen das Elektronengas. Aber in den Valenzorbitalen ist ja nur Platz für zwei Elektronen oder? Was ist wenn nun insgesamt 1 Elektron zu viel in der Fe-Kugel ist?

Kommentar von Franz1957 ,

Valenzorbitale gibt es nur bei einzelnen Atomen, und deshalb sind einzelne Atome von Eisen, Kupfer, usw. auch kein Metall. Zum Metall wird das btr. Element erst, sobald viele Atome davon ein Gitter bilden und dabei anstatt der Valenzorbitale das Elektronengas entsteht.

Ein paar Elektronen mehr oder weniger spielen dann überhaupt keine Rolle. Das Metallgitter und das Elektronengas makroskopischer Körper sind hiergegen, soweit man das in der Praxis testen kann, völlig unempfindlich. Man kann metallene Gegenstände mit ganz ungeheuren Mengen von Elektronen aufladen, oder sie ihnen wegnehmen, ohne daß dies ihre Stoffstruktur irgendwie beeinträchtigt. Dadurch ist die Elektrotechnik möglich.

Begrenzt wird das Potential, bis zu dem man Metalle auf- oder entladen kann, in der Praxis und soweit mir bekannt ist, nur durch die Durchschlagsfestigkeit des umgebenden Mediums, bzw. Isolators. Ob es mit irgendeiner zukünftigen Hyperspannungstechnik möglich wäre, einen Metallkörper so weit von Elektronen zu entleeren, daß sein Gitter zerbröselt, das will ich nicht ausschließen, fürchte aber eher, daß jeder Versuch in diese Richtung für die Techniker weit gefährlicher wäre als für das Metall.

Kommentar von Franz1957 ,

Du hast auch nach der Symmetrie der Elektronenverteilung gefragt. Die müßte, bevor etwas so winziges wie 1 Elektron sie stören kann, überhaupt erst einmal existieren. Dazu müßte diese Eisenkugel symmetrisch sein und damit stellt sich vor allem anderen die Frage, was eine symmetrischen Eisenkugel überhaupt sein soll und ob sie real existieren kann. Schließlich reden wir von physischen Objekten. Die mathematische "Kugel" ist dabei nur eine Hilfsvorstellung. Absolut kugelsymmetrische physische Körper kann es schon deshalb nicht geben, weil die Materie kein Kontinuum ist, sondern aus Atomen besteht. Was wir haben können, das ist ein Fe-Monokristall (man bekommt sie mit 99,98% Reinheit) mit annähernd kugelförmigen Konturen. So etwas wie eine Legostein-Kugel. Was er wirklich an Symmetrie aufweisen kann, das ist nicht mehr als die paar sich aus der Kristallinität ergebenden Spiegelsymmetrien. Alles was weitergeht, sind Idealisierungen, die durch den Weichzeichner des menschlichen Denkapparats in unserem Kopf entstehen.

Expertenantwort
von SlowPhil, Community-Experte für Physik, 13

Eisen ist ein Metall, daher befinden sich, wie bereits Franz geschrieben hat, nicht alle Elektronen in Orbitalen, da das Atom der nächstvorhergehenden stabileren Edelgaskonfiguration näher ist als der nächstfolgenden und daher Elektronen »abwerfen« oder sozusagen »kollektivieren«.

Die sind dann schon noch an den Metallverband als Ganzes, nicht aber mehr an das einzelne Atom gebunden, können sich also frei zwischen den positiv geladenen Atomrümpfen bewegen und machen den Verband zu einem guten thermischen und elektrischen Leiter, undurchsichtig und bei hinreichend glatter Oberfläche typisch metallisch glänzend.

Nur diese Elektronen können überhaupt ausweichen, wenn neue hinzukommen und das Metall insgesamt negativ aufladen.

Und natürlich verteilen sie sich dann gleichmäßig (d.h. die Teilchenzahldichte des Elektronenfeldes ist räumlich annähernd konstant, Elektronen haben einen Wellencharakter und sind keine kleinen Kügelchen), wenn das Metall weder einem elektrischen Feld (das zu Influenz und daher einer Ungleichverteilung führen würde) noch einem eine Spannung induzierenden (s. a. Hall-Effekt) Magnetfeld ausgesetzt ist.

Kommentar von Usedefault ,

Warum hat dompfeifer dann geschrieben, das Elektron wird an den Rand der Fe-Kugel gedrückt?

Kommentar von SlowPhil ,

Hast Du meinen Kommentar darauf gelesen?

Antwort
von NeoExacun, 23

Bei dieser Frage bewegst du dich bereits im Bereich der Quantenphysik. Es kann keine genaue Bestimmung der Position von Teilchen vorgenommen werden.

In deinem Fall wäre die Verteilung der Elektronen eine Überlagerung vieler Wellen, die die Wahrscheinlichkeitsverteilung für das Vorhandensein eines Elektrons darstellen.

Aber im Groben und Ganzen dürfte die Verteilung praktisch gleichmäßig sein, da sich das Gegenteil durch auftrentende Spannungen und eletrische Felder bemerkbar machen würde.

Antwort
von KhamzatWas46, 24

Die Elektronen werden sich wahrscheinlich bewegen und zur Erinnerung sie können Sich nicht berühren. Bei der Quantenphysik befindet sich der Elektron in der perfekte Position sie könnte Überfall hin . aber wie Albert Einstein sagte : Gott würfelt nicht . und wenn du an seine spezielle Relativitätstheorie glaubst dann würden sie sich schnell unabhängig voneinander bewegen . übrigens ich bin 11

Kommentar von KhamzatWas46 ,

Aber sie würden sich trotzdem nicht berühren

Kommentar von fightclub217 ,

Genau. Gleiche Ladungen stoßen sich ab. ;) 

Kommentar von KhamzatWas46 ,

Wenn du meine Antwort hilfreich fandest hinterlasse bitte ein danke und bitte beantworten sie auch meine Fragen

Kommentar von SlowPhil ,

Man »glaubt nicht an« seine Spezielle Relativitätstheorie, man weiß, dass sie die Beziehung zwischen Energie und Impuls korrekter beschreibt als die Newton'sche Näherung.

Sogar und besonders Elektronen beschreibt sie besser (natürlich ihre quantenmechanische Version), aus ihr geht nämlich die Existenz des Elektronenspins und des Positrons hervor.

Antwort
von dompfeifer, 8

Nein, die Elektronen werden sich nicht alle neu ausrichten. Die drängen das überzählige Elektron an den äußersten Rand der Kugel.

Kommentar von SlowPhil ,

Elektronen sind - wie alle jeweils gleichartigen Quanten»teilchen« respektive elementaren Anregungen des gleichen Materiefeldes, einander identisch. Die können nicht »Neuankömmlinge« von »Alteingesessenen« unterscheiden und ausgrenzen, selbst auf ihrer Position verharrend.

Kommentar von dompfeifer ,

Das ist richtig, Elektronen führen sich natürlich nicht so individuell auf wie die Bienen im Bienenstock (Die wissen genau, wer zu ihnen gehört!). So ein Missverständnis ahnte ich schon.

Mit dem "überzählichen Elektron" meine ich hier natürlich nicht das konkrete Partikel, sondern dessen abstrakte Ladung. Die verteilt sich auf die gesamte Oberfläche des Körpers. Genau betrachtet führt das auch tatsächlich zu einer winzigen "Neuausrichtung" der Elektronen an der Oberfläche.

Kommentar von Usedefault ,

Hat jetzt dompfeifer Recht oder SlowPhil?

Kommentar von dompfeifer ,

Beide haben recht. Die Missverständnisse habe ich doch ausgeräumt! Es gibt nur eine ganz winzige "Neuausrichtung an der Oberfläche, aber keinesfalls "für alle Elektronen" des geladenen Körpers.

Kommentar von SlowPhil ,

Die übrigen Elektronen, auf die es ankommt sind aber auch freie Elektronen.

Ach, jetzt weiß ich, was Du wahrscheinlich meinst: Die Elektronen verteilen sich nicht gleichmäßig auf das Volumen, sondern die Überschussladung konzentriert sich auf die Oberfläche. Dem stimme ich zu. Die Eisenkugel leitet, also wird sich überschüssige Ladung auch vorwiegend auf die Oberfläche konzentrieren.

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