Autor

Dr. Martin Brinkmann
Dr. Martin Brinkmann

Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen

Martin Brinkmann (35 Jahre) studierte Mathematik und Physik an der Freien Universität (FU) Berlin und promovierte in theoretischer Physik an der Universität Potsdam. Nach einem einjährigen Forschungsaufenthalt in Frankreich forscht er seit 2005 am Max-Planck Institut für Dynamik und Selbstorganisation in der Abteilung Dynamik komplexer Fluide.

Frage:

Metalle bestehen aus einzelnen Atomen, warum sind sie fest ?

Antwort:

Wie alle festen Gegenstände, Flüssigkeiten und Gase besteht ein Stück Metall aus einer unvorstellbar großen Anzahl einzelner Atome. Die Festigkeit eines Stoffs, also die Fähigkeit seine Form beizubehalten, sollte sich daher aus den Eigenschaften der Bindungskräfte zwischen den Atomen erklären lassen. Die Bindungskräfte lassen sich immer auf elektrostatische Kräfte zurückführen, die auch zwischen den schweren, positiv geladenen Kernen und den leichten, negativ geladenen Elektronen in einem einzelnen Atom herrschen. Die Atome eines Metalls besitzen einige Elektronen, die nur schwach gebunden sind. Diese „äußeren“ Elektronen lassen sich leicht von den Metallatomen abtrennen und bilden zwischen den zurückbleibenden positiv geladenen Atomrümpfen ein Gas. Dieses Elektronengas kann das Metallstück jedoch nicht ohne weiteres verlassen: jedes entweichende Elektron würde eine positive Ladung zurücklassen und so zu einer starken Aufladung des Metallstücks beitragen.

Im festen Zustand sind die Atomrümpfe eines Metalls in einem regelmäßigen Kristallgitter angeordnet, dessen Lücken mit dem Elektronengas gefüllt sind. Letztendlich sind es auch hier wieder elektrostatische Anziehungskräfte, die zwischen den Atomrümpfen und dem Elektronengas auftreten und somit für den Zusammenhalt der Metallatome verantwortlich sind. Im Gegensatz zu den negativ geladenen Atomen eines Ionenkristalls (wie beispielsweise in einem Kochsalzkristall), lässt sich das Elektronengas in einem Metall leicht umverteilen, sobald die Atomrümpfe des Gitters gegeneinander verschoben werden. Die Atome können dann aneinander vorbeigleiten, ohne dass die Anziehungskräfte zwischen den Atomrümpfen und dem Elektronengas verloren gehen. Neben ihrer guten Verformbarkeit und der geringen Sprödigkeit werden aber auch viele andere, typische Eigenschaften der Metalle mit dem Elektronengasmodel erklärbar: Metalle sind gute elektrische Leiter und reflektieren Licht in einem großen Wellenlängenbereich.

 
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