Warum ist Graphit schwarz(schwarzgrau)?
Hallo,
also ich habe gelesen, dass Graphit schwarzfarbig ist, weil die Elektronen im Pi-Orbital fast das ganze Licht absorbieren. Aber warum wird fast das ganze Licht absorbiert? Also ich weiß noch, dass jeder Atom verschiedene Absorptionsspektren haben.
Vielen Dank im Voraus.
1 Antwort
Wir haben hier kein einzelnes Atom, sondern einen (riesigen) Atomverband. Und dazu einen, der leitfähig ist, d. h. die Elektronen "gehören" nicht mehr einem bestimmten Atom, sondern dem ganzen Kristall.
Dadurch spalten sich die Absorptionslinien auf, und zwar in so viele Einzellinien, wie es Atome im Kristall gibt. Dadurch entsteht ein "Band", eine sehr, sehr stark verbreiterte Linie. (Es sind keine Einzellinien mehr, weil sie weit dichter beieinander liegen als sie breit sind.
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Allerdings ist es aus einem anderen Grund verwunderlich, dass Graphit schwarz (eigentlich dunkelgrau) ist: Metalle sind ebenfalls leitfähig, und werfen fast alles Licht zurück.
Das ist ähnlich wie bei einer Seilwelle: wenn du eine Kette in der Hand hältst und das obere Ende ruckartig zur Seite bewegst, läuft eine Welle erst die Kette hinunter, dann läuft das Kettenende in diese Richtung weiter und sendet eine Welle die Kette hinauf.
Wenn das untere Kettenende frei hängt, ist die reflektierte Welle ebenso stark wie die originale. Wenn das untere Kettenende aber in einer Flüssigkeit hängt oder auf dem Boden aufliegt, schluckt die Reibung etwas Energie und die zurücklaufende Welle ist schwächer.
So ist es auch mit Metallen und Graphit: Bei Metallen laufen die Elektronen mit sehr, sehr geringem Widerstand und die reflektierte Welle ist fast so stark wie die originale. Graphit leitet deutlich schleichter, deshalb wird bei der Bewegung der Elektronen ein guter Teil der Energie verschluckt und die reflektierte Welle ist deutlich schwächer.
Also das heißt Graphit ist dunkelgrau, weil die delokalisierten Elektonen vom Graphit im Vergleich zu Metall höheren Widerstand haben und deshalb ein großer Teil des Lichts verschluckt wird?
Ja.
Aber warum haben die Graphitelektronen einen hohen Widerstand?
Der wichtigste Grund dürfte sein, dass Graphit nur in den Schichten gut leitet, in denen die Kohlenstoffringe mit den "delokalisierten" Elektronen liegen, und üblicherweise aus vielen kleinen Kristallen besteht, die unterschiedlich orientiert sind - dadurch muss der Strom immer teilweise durch Gebiete mit hohem Widerstand fließen.
Aber auch innerhalb der Ringebenen ist der Widerstand höher als bei Metallen. Das dürfte daran liegen, dass Graphit ein "Halbleiter" ist und kein Metall - d. h. die Elektronen gehören eigentlich doch zu einem bestimmten Atom, aber die durchschnittliche "thermische Energie" k*T reicht schon aus, um etliche Elektronen von "ihrem" Atom zu lösen. Deshalb stehen nicht so viele Elektronen zur Verfügung wie bei Metallen.
Wir kommen hier ziemlich schnell in den Bereich der Quantenphysik:
Vielen Dank für die Antwort. Also das heißt Graphit ist dunkelgrau, weil die delokalisierten Elektonen vom Graphit im Vergleich zu Metall höheren Widerstand haben und deshalb ein großer Teil des Lichts verschluckt wird? Aber warum haben die Graphitelektronen einen hohen Widerstand?