Festkörper

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Einleitung

Festkörper, ein Aggregatzustand der Materie, bei dem die Atome bzw. Moleküle als Materialbausteine durch die zwischen ihnen wirksamen Bindungskräfte weitgehend an ihren Orten festgehalten werden. Isolierte und kollektive Bewegungen, wie z. B. die Wanderung von Atomen oder das Auftreten von Schwingungsvorgängen, finden nur insoweit statt, als dadurch die hohe Formbeständigkeit nicht beeinträchtigt wird.

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Allgemeines

Man spricht von Festkörpern im engeren Sinn, wenn die Atome bzw. Moleküle in einem Kristallgitter regelmäßig angeordnet sind, also eine so genannte Fernordnung haben, so dass der gesamte Körper durch die gedachte Wiederholung einer kleinen Einheitszelle in alle drei Raumrichtungen aufgebaut werden kann.

Daneben stehen all die Substanzen, die eine feste Form haben, ohne dass sich über große Bereiche eine geordnete Struktur feststellen lässt. Dazu gehört z. B. Glas, bei dem wie in einer erstarrten Flüssigkeit die Lage der Bausteine nur von der Position der Nachbarbausteine abhängt. Andere Festkörper wie z. B. Beton oder Stein sind nur äußerlich gleichförmig, haben aber eine sehr komplexe und inhomogene Struktur. Außerdem gibt es Materialien wie aufgeschäumten Kunststoff, deren Eigenschaften im Wesentlichen durch ihre Porösität oder Körnigkeit bestimmt werden.

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Einteilung der Festkörper

Die große Vielfalt der festen Stoffe lässt sich nach ihrem Aufbau und ihrem Verhalten auf verschiedene Arten systematisch ordnen.

Zunächst gibt es Festkörper, die wie ein Stück Aluminium nur aus einer einzigen Atomsorte aufgebaut sind. Demgegenüber stehen die Mischkristalle und die so genannten Legierungen. Diese bestehen jeweils aus mehreren Atomsorten. Alle modernen Werkstoffe wie z. B. Stahl gehören zu dieser Gruppe.

Danach unterscheidet man die kristallin geordneten Festkörper rein geometrisch nach den verschiedenen Symmetrien ihres Kristallgitters, wobei jedes Mal eine nach Aussehen und Größe andere Einheitszelle auftritt. Eine Sonderstellung nehmen die erst 1984 entdeckten Quasikristalle ein. Sie sind nicht durch die unendliche Wiederholung einer Einheitszelle aufgebaut, weil die Bindungskräfte zu bestimmten ungeradzahligen Symmetrien führen, so dass nur ein nichtperiodisches Gitter gebildet werden kann.

Weiterhin lassen sich die festen Stoffe auch nach der Art ihrer Gitterbausteine und den sie zusammenhaltenden Kräften unterscheiden. So gibt es Stoffe, wie z. B. das Kochsalz, bei denen die Grundbausteine ionisierte, d. h. elektrisch geladene Atome bzw. Moleküle sind. Es treten sowohl positiv als auch negativ geladene Teilchen auf, die sich gegenseitig anziehen und so den Festkörper zusammenhalten. Andere Materialien, z. B. Diamant, sind aus neutralen Atomen oder Molekülen zusammengesetzt, wobei jeweils benachbarte Teilchen direkt über die zu ihnen gehörenden Elektronen miteinander verbunden sind. Bei den Metallen wiederum gibt jedes Atom einen kleinen Teil seiner Elektronen ab. Diese bilden eine negative Elektronenwolke zwischen den positiv geladenen Atomen, die den Festkörper wie eine Art Klebstoff zusammenhält.

Schließlich unterteilt man die Festkörper nach der Größe ihrer elektrischen Leitfähigkeit in Leiter, Isolatoren und Halbleiter. Während sich die Elektronen in der Hülle einzelner Atome nur in ganz bestimmten Energieniveaus befinden können, verschmelzen diese Niveaus im Festkörper zu breiten Bändern erlaubter Energien, die durch Gebiete verbotener Energie voneinander getrennt sind. Die erlaubten Energiebänder werden von den Elektronen vom Zustand niedrigster Energie her nach oben aufgefüllt (Energiebändermodell). Das so genannte Fermi-Niveau, das dem Füllstand der Elektronen entspricht, bestimmt die elektrische Leitfähigkeit. Wenn es sich in der Mitte eines erlaubten Bandes befindet, ist der Festkörper ein Leiter, weil sehr geringe Anregungsenergien ausreichen, um die oberen Elektronen auf unbesetzte Niveaus zu heben, wo sie sich frei bewegen können. Wenn es sich dagegen am oberen Ende eines erlaubten Bandes befindet und wenn die Energielücke zum nächsten erlaubten Band relativ groß ist, dann handelt es sich um einen Isolator, weil keine Elektronen zum Ladungstransport zur Verfügung stehen. Ist die Energielücke zwischen dem Fermi-Niveau am oberen Rand eines erlaubten Bandes zum nächsthöheren Energieband aber klein, dann liegt ein Halbleiter vor, wie z. B. Silicium.

Außerdem lassen sich die Festkörper nach speziellen Eigenschaften einteilen. Dazu gehören das Auftreten einer magnetischen Ordnung, z. B. in magnetisiertem Eisen und die so genannte Supraleitung. Darunter versteht man das Verschwinden des elektrischen Widerstands bei tiefen Temperaturen in bestimmten Materialien.

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Untersuchung von Festkörpern

In der Chemie und vor allem in der Physik nimmt das Studium von Festkörpern einen breiten Raum ein (siehe Festkörperphysik). Früher hat man dabei die Eigenschaften und Phänomene der Festkörper (z. B. Temperatur, Wärmeleitung usw.) nur durch makroskopische und statistische Gesetze beschrieben. Heute folgt man dagegen einem mikroskopischen Ansatz und versucht, alle relevanten Eigenschaften direkt aus der Anordnung und Verteilung der Atom- bzw. Molekülbausteine, sowie aus den zwischen ihnen wirksamen Kräften zu berechnen. Diese mikroskopischen Größen wiederum werden vor allem durch die Streuung von Röntgenstrahlen, Neutronen und Elektronen ermittelt. Einen Schwerpunkt derartiger Untersuchungen bilden auch die Abweichungen vom streng kristallinen Aufbau durch Gitterdefekte und eingebaute Fremdatome. Dadurch können die mechanischen, chemischen, optischen und elektrischen Eigenschaften empfindlich beeinflusst werden. Beispielsweise kann sich die Leitfähigkeit eines Halbleiters um das Tausendfache erhöhen, wenn nur jedes millionste Atom durch eine bestimmte Art von Fremdatom ersetzt wird. Das Hauptziel derartiger Untersuchungen ist es, Grundlagenerkenntnisse für die gezielte Herstellung neuartiger Werkstoffe mit ganz bestimmten, z. B. elektrischen Eigenschaften zu gewinnen. Außerdem will man technologisch wichtige Stoffe, wie Stahl,übergegangen systematisch weiterentwickeln.