Atome, Elektronen und Ionen

Jeder Strom, jede Spannung und jedes Bauteil auf deiner Platine lässt sich auf ein paar winzige Teilchen zurückführen: Protonen, Neutronen und vor allem Elektronen. Wer verstehen will, warum Kupfer leitet, Kunststoff isoliert und ein Halbleiter irgendwo dazwischen liegt, muss einen kurzen Blick in das Atom werfen. Keine Sorge – für die Elektronik genügt ein recht einfaches Modell.

Der Aufbau eines Atoms

Ein Atom besteht aus einem sehr kleinen Kern und einer vergleichsweise riesigen Hülle. Im Kern sitzen Protonen und Neutronen, in der Hülle bewegen sich die Elektronen.

Die Elementarladung beträgt e = 1,602 · 10^-19 C. Ein Elektron ist also rund 1800-mal leichter als ein Proton, trägt aber exakt die gleiche Ladungsmenge – nur mit umgekehrtem Vorzeichen. Weil die Elektronen so leicht und beweglich sind, sind sie es, die sich in Metallen verschieben lassen und den elektrischen Strom bilden.

Die Zahl der Protonen bestimmt, um welches Element es sich handelt: Kupfer hat 29, Silizium 14, Kohlenstoff 6. Im Normalzustand hat ein Atom genauso viele Elektronen wie Protonen und ist nach außen elektrisch neutral. Fast die gesamte Masse steckt im positiv geladenen Kern. Neutronen findest du praktisch nur dort – ein freies Neutron zerfällt nach durchschnittlich etwa einer Viertelstunde, während ein freies Proton (ein Wasserstoff-Ion) stabil ist.

Schalen und Valenzelektronen

Die Vorstellung vom Atom hat sich mehrfach gewandelt. Der Name stammt aus dem Griechischen und heißt „unteilbar“ – was sich als falsch herausgestellt hat. Ernest Rutherford zeigte 1911, dass die positive Ladung in einem winzigen Kern konzentriert ist, um den die Elektronen kreisen. Niels Bohr verfeinerte das 1913: Die Elektronen dürfen nur bestimmte Bahnen mit festen Energiestufen besetzen.

Das bohrsche Schalenmodell ordnet die Elektronen auf Schalen um den Kern an. Die innerste Schale fasst höchstens 2, die zweite 8, die dritte 18 Elektronen. Physikalisch genauer beschreibt die Quantenmechanik die Elektronen als Aufenthaltswahrscheinlichkeiten (Orbitale) – mehr dazu in Quantenphysik für Elektroniker. Für die Elektrotechnik reicht das Schalenbild aber erstaunlich weit. Das ist typisch für Modelle: Jedes gilt in einem bestimmten Bereich, und man nimmt das einfachste, das die Frage genau genug beantwortet – so wie du für eine Radtour eine flache Landkarte nimmst, obwohl die Erde rund ist.

Entscheidend sind die Elektronen auf der äußersten Schale, die Valenzelektronen. Sie sind am schwächsten an den Kern gebunden und bestimmen, wie sich ein Stoff chemisch und elektrisch verhält:

• Metalle wie Kupfer, Silber oder Aluminium haben nur ein bis drei Valenzelektronen. Im Metallgitter lösen sie sich von ihren Atomen und bewegen sich als freie Elektronen („Elektronengas“) durch den ganzen Kristall. Darum leiten Metalle so gut.
• Nichtmetalle mit fast voller Außenschale halten ihre Elektronen fest. Ohne freie Ladungsträger sind sie Isolatoren.
• Halbleiter wie Silizium und Germanium haben vier Valenzelektronen. Bei tiefer Temperatur sind alle in Bindungen gebunden, mit steigender Temperatur werden einzelne frei – siehe Halbleiter.

Ionen: Atome mit Ladungsüberschuss

Verliert ein Atom ein oder mehrere Elektronen, überwiegt die positive Kernladung (Elektronenmangel): Es wird zum positiven Ion (Kation). Nimmt es zusätzliche Elektronen auf (Elektronenüberschuss), entsteht ein negatives Ion (Anion). Die Zahl der Protonen ändert sich dabei nie – nur die Hülle. Weil Ionen geladen sind, ziehen sie entgegengesetzt geladene Teilchen an und stoßen gleichnamige ab; in einem elektrischen Feld wandern sie deshalb – daher auch der Name, griechisch für „der Wandernde“.

Ionen spielen in der Elektronik an mehreren Stellen eine Rolle:

• In Elektrolyten – Batteriesäure, Salzwasser, dem Elektrolyt im Elko – tragen Ionen den Strom. Anders als Elektronen transportieren sie dabei Stoff; das nutzt die Elektrolyse und jede Batterie.
• In Gasen entstehen Ionen durch Stoßionisation, etwa in Glimmlampen, Leuchtstoffröhren oder bei einem Lichtbogen.
• Im Metallgitter bleiben nach dem Ablösen der Valenzelektronen positive Atomrümpfe zurück. Sie sind fest im Gitter verankert und bewegen sich nicht mit – sie schwingen nur mit zunehmender Temperatur stärker und bremsen so die Elektronen. Das ist die Ursache des elektrischen Widerstands von Metallen.

Wie viel Energie bindet ein Elektron?

Um ein Elektron ganz aus einem Atom zu lösen, braucht es die Ionisierungsenergie. Sie wird meist in Elektronenvolt (eV) angegeben: 1 eV ist die Energie, die ein Elektron beim Durchlaufen einer Spannung von 1 V gewinnt, also 1,602 · 10^-19 J. Für Kupfer liegt die erste Ionisierungsenergie bei rund 7,7 eV, für das Edelgas Neon bei 21,6 eV.

Im Festkörper verschmelzen die Energieniveaus vieler Atome zu Bändern. Ob zwischen dem besetzten Valenzband und dem Leitungsband eine Lücke klafft und wie groß sie ist, entscheidet über Leiter, Halbleiter oder Isolator. Silizium hat eine Bandlücke von etwa 1,12 eV – das erklärt, warum es bei Raumtemperatur nur schwach leitet und warum man es gezielt dotiert.

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