Grundverständnisse

Was sind Atome?

Ein Atom ist das kleinste, mit chemischen Mitteln nicht weiter spaltbare Teilchen eines chemischen Elementes. Jedes Atom besteht aus einem elektrisch positiv geladenem Kern und einer Hülle aus elektrisch negativ geladenen Elektronen. Nach außen ist das Atom neutral, da die Zahl der Protonen im Kern und der Elektronen in der Hülle gleich sind. Der Atomkern ist etwa 10000 mal kleiner als die Atomhülle und macht trotzdem 99% des gesamten Atomgewichtes aus.
 

Was sind Ionen?

Ionen sind einfach oder mehrfach positiv oder negativ geladene Atome oder Atomgruppen. Durch Entfernen oder Hinzufügen von Elektronen wird das Atom zum nach außen positiv oder negativ geladen Ion.
 





 

Beschleunigung im elektrischen Feld

Wirkt auf ein elektrisch geladenes Teilchen ein elektrisches Feld, so erfährt dieses eine Beschleunigung. Positiv geladene Teilchen werden zum negativen Pol und negativ geladene Teilchen zum positiven Pol beschleunigt. Dabei erhält das beschleunigte Teilchen kinetische Energie, die von der potentiellen Energie im elektrischen Feldes aufgebracht wird. Es gilt:

Beispiel: An einen Plattenkondensator wird eine Spannung U angeschlossen. Es bildet sich ein elektrisches Feld zwischen den Kondensatorplatten aus. Wird jetzt eine positive geladenes Ion am Ort der positiv geladenen Kondensatorplatte in das Feld gebracht, so wird es mit der Kraft F zur negativ geladenen Platte beschleunigt. Dabei wird die Beschleunigungsarbeit W verrichtet. Die Arbeit berechnet sich aus:

Mit der obrigen Formel für die Kraft folgt:


Für die gewonnene kinetische Energie des Teilchens ergibt sich:

 

Ablenkung im magnetischen Feld

Bewegt sich ein geladenes Teilchen durch ein magnetisches Feld mit der Feldstärke B, dann wirkt auf dieses die Lorentz-Kraft F. Das geladene Teilchen wird auf eine Kreisbahn gezwungen. Die kinetische Energie des Teilchens bleibt dabei jedoch konstant. Es gilt:


In dieser Gleichung ist ersichtlich, dass die Kraft von der Ladung abhängig ist. Damit gelingt es, verschiedene Teilchen mit unterschiedlicher Ladung auf verschiedene Kreisbahnen abzulenken. Bewegt sich das Teilchen senkrecht zum Magnetfeld, dann wirkt auch die Lorentz-Kraft senkrecht zum Magnetfeld und senkrecht zur Bewegungsrichtung des Teilchens. Um zu zeigen, in welche Richtung die Ladung ausgelenkt wird, ist die "Rechte Hand Regel" ein gutes Hilfsmittel.

Diese besagt:

Daumen =Ursache 

Zeigefinger =Vermittlung

Mittelfinger =Wirkung

Beispiel: Eine positives Ion wird von links nach rechts durch ein magnetisches Feld geschossen. Seine Bewegung ist die Ursache, also zeigt der Daumen nach rechts (siehe X in der Zeichnung). Die Vermittlung ist das magnetische Feld. Der Zeigefinger zeigt also in Richtung der magnetischen Feldlinien, d.h Y in der Zeichnung. Der Mittelfinger zeigt die Richtung an, in die die Ladung ausgelenkt wird. In diesem Beispiel wird das Ion auf uns zu fliegen, also in der Zeichnung nach Z ausgelenkt.

 

Grundlagen der Ionen-Festkörper-Wechselwirkung

Um diesen Sachverhalt besser erklären zu können, nutzen wir folgendes Modell:

- Die Atome sind unverformbare harte Kugeln, zum Beispiel Billardkugeln-


Damit wir mit dem Modell nicht nur Gedankenexperimente durchführen können, wurde im Forschungszenrum Rossendorf ein Modell zum Anfassen und Ausprobieren gebaut, das sogenannte Ionenbillard.
In diesem Modell ist es neben den anschaulichen Experimenten(1) auch möglich, mittels einfachen und überschaubaren Berechnungen die Situation nach dem Stoß zweier Kugeln darzustellen. Dies gelingt, indem man die physikalischen Größen Impuls und Energie zu Hilfe nimmt. Mittels dieser Größen kann man den Zustand sowohl vor dem Stoß, als auch nach dem Stoß charakterisieren. Der Stoßprozess muss so ablaufen, dass der Energie- und Impulserhaltungssatz gilt. Diese lauten wie folgt:

Energieerhaltungssatz:


Die Formel besagt, dass die Anfangsenergie gleich der Summe der Teilenergien nach dem Stoß ist.

Impulserhaltungssatz:

Der Impuls berechnet sich aus der Formel p=m*v. Der Impulserhaltungssatz besagt, dass der Anfangsimpuls gleich der Summe aus dem Endimpuls des stoßenden Körpers und des gestoßenen Körpers ist. Hierbei muss die Richtung der Endimpulse mit berücksichtigt werden. Deshalb erscheint der Kosinus des Flugwinkels in der Formel.
 
Unter Benutzung dieser mathematischen Zusammenhänge kann man aus einem Anfangszustand auch den Endzustand berechnen, das heißt den Endimpuls und die kinetische Endenergie.
Daraus ergeben sich weiterhin folgende mathematische Beziehungen:

Man nennt k den Kinematikfaktor. Er bechreibt, den wievielten Teil der Anfangsenergie auf das jeweilige Teilchen übertragen wurde.


Der Energieübertrag ist dann am größten, wenn der Kosinus des Flugwinkels am größten ist. Dies ist bei 0° der Fall. Weiterhin wird der Energieübertrag maximiert, wenn beide Massen gleich groß sind. In diesem Fall beträgt kr gleich eins. Dies bedeutet, dass die gesamte kinetische Anfangsenergie auf das angestoßene Teilchen übertragen wurde. Die Energieübertragung hängt also von dem Winkel ab, unter welchem die Stoßpartner abgelenkt werden. Außerdem ist sie abhängig von der Masse der beiden Kugeln. Dabei gibt es drei verschiedene Möglichkeiten, bei konstanten Flugwinkeln:
 
Stoßbeispiele

1. m1 ist sehr viel kleiner als m2 -dann würde Kugel 1 mit der fast gleichen Geschwindigkeit von Kugel 2 abprallen, wie sie auf diese aufgeprallt ist z.B.: -ein Tischtennisball wird gegen einen Medizinball geworfen.

2. m1 ist sehr viel größer als m2 -dann würde Kugel 1 nahezu mit der Geschwindigkeit weiterrollen, die sie vor dem Aufprall hatte. z.B.: -ein Medizinball wird gegen ein Tischtennisball geworfen

3. m1 ist genauso groß wie m2 -dann würde Kugel 1 gegen Kugel 2 rollen und sofort zum Stillstand kommen. Kugel 2 würde mit derselben Geschwindikeit weiterrollen, die Kugel 1 vor dem Aufprall hatte. Das ist ein Spezialfall und wird gerader Stoß genannt. z.B.: -Ein Fußball wird gegen einen anderen Fußball, der exakt dieselbe Masse hat, gerollt.

Alles, was anhand dieses Modells gezeigt wurde, lässt sich annähernd auf die Ionen-Festkörper-Wechselwirkung übertragen.
 
 

Der Aufbau von Materialien

Alle Festkörper sind aus Atomen aufgebaut. Man unterscheidet zwei verschiedene Arten von Festkörpern, je nach Anordnung der Atome. Zum einen diejenigen, die eine regelmäßige Anordnung haben und somit ein Atomgitter oder Kristall bilden. Zum anderen jene, die weniger regelmäßig angeordnet sind und kein so regelmäßig geordnetes Gitter besitzen. Diese werden amorphe Festkörper genannt.


  Nukleare Wechselwirkung Elektronische Wechselwirkung
Erklärungen Die Wechselwirkung findet zwischen dem Ion und dem Atomkern statt Es findet eine Wechselwirkung des Ions mit der Elektronenhülle der Atome im statt.
Effekte Das Ion gibt Energie an das Atom ab und seine Richtung wird geändert. Die Atome werden von ihren Gitterplätzen gestoßen. Wegen des großen Massenunterschiedes wird das Ion nicht aus seiner Bahn gelenkt (siehe: Stoßbeispiele(2). Es verliert lediglich durch die häufigen Zusammenstöße mit den Elektronen Energie. Kinetische Energie wird umgewandelt in thermische Energie.
 



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Basisprozesse der Ionen-Festkörper-Wechselwirkung

Durch den Einschuss von Ionen in ein Atomgitter werden die Atome aus ihrem Gitterplatz heraus gestoßen. Man kann sich das in etwa so vorstellen, dass die Atome in einer kleinen Mulde liegen. Wenn genügend Kraft auf das Atom wirkt, verlässt es diese Mulde und wird selbst ein Stoßkörper. Das Atom vollführt nun selbst Stöße mit anderen Atomen. Diesen Vorgang nennt man Stoßkaskade. Es können Atom verlagert werden, dabei tauschen sie untereinander oder mit den eingeschossenen Ionen die Gitterplätze. Weiterhin können Leerstellen gebildet werden und dadurch auch so genannte Zwischengitteratome entstehen. Es ist möglich, dass Atome aus der Oberfläche heraus gestoßen werden. Diesen Vorgang nennt man Zerstäuben(4). Zur Veranschaulichung dieser Prozesse hilft uns auch hier unser Modell der harten Kugeln(5), das Ionenbillard. Hinter den Bildern, die einen Billardtisch zeigen, sind kurze Videosequenzen hinterlegt. Sie zeigen den jewiligen physikalischen Prozess im Modell des Ionenbillards.
Sehen Sie also selbst.
 
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Daraus resultierende Prozesse sind:


Zerstäuben: Zerstäuben tritt ein , wenn die Atome innerhalb einer Stoßfolge genügend kinetische Energie erhalten, um die Oberflächenbindung zu überwinden und den Festkörper verlassen.

 
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Ionenmischen: Dieser Effekt beruht auf der räumlichen Verlagerung von Atomen innerhalb einer Stoßkaskade. Besonderes Augenmerk liegt dabei bei mehrkomponentigen Substanzen z.B. dünne Schichten auf einem Substrat oder Mehrschichtsystemen. Dieser Effekt ist von hoher Bedeutung für die ionengestützte Schichtabscheidung. Auch hier unterscheidet man drei Prozesse. Dabei soll eine dünne Schicht (die Markeratome) in ein Atomgitter (die Matrixatome) eingebracht sein. Mögliche Fälle sind:

1.direkter Stoße des einfallenden Ions mit dem Markeratomen.

2.Stöße mit Matrixatomen vor der Markerschicht. Diese werden dann in bzw. hinter die Markerschicht gestoßen

3.Ausbildung einer Stosskaskade in der Nähe der Markerschicht aus. Dies führt dann zu einem mehr oder weniger gleichmäßigen Vermischen der beiden Atomsorten.

Ionenimplantation: Ein Verfahren, womit durch das Einbringen von Fremdatomen in ein Substrat, die Eigenschaften ( elektrische, optische und mechanische Eigenschaften ) verschiedener Materialien gezielt verändern werden können.

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Channeling: Als Channeling bezeichnet man das durch den Kanal wandern der Ionen. Das funktioniert nur bei Festkörpern, die eine kristalline Struktur haben. Bei den Amorphen würde das nicht funktionieren, da es keine Kanäle zwischen den Atomen gibt. Die Wechselwirkungen sind so gering, dass die Ionen nur geringfügig von ihrer Bahn abgelenkt werden.



 

Zusammenfassung der Ionen-Festkörper-Wechselwirkung

 
 
Energieverlust: Wenn ein Ion durch ein Atomgitter geschossen wird, ohne mit einem Atomkern zu kollidieren, verliert es trotzdem Energie. Denn die Elektronen in der Elektronenhülle der Gitteratome bremsen das Ion ab. Ein einzelnes nur wenig, aber auf Grund ihrer Anzahl wird das Ion relativ schnell abgebremst. Die Energie des Ions wird dadurch immer kleiner.

 
Streuung des Ions: Wenn ein Ion in ein Atomgitter eindringt und auf ein Atom trifft, dann wird es aus seiner Bahn gelenkt und fliegt in eine andere Richtung weiter. Das Atom wird ebenfalls von seinem Gitterplatz gestoßen und stößt danach selber andere Atome an.
 
Ladungsänderung des Ions: Wenn sich ein Ion durch ein Atomgitter bewegt, dann kann es passieren, dass das Ion Elektronen von/in seiner Elektronenhülle verliert/einfängt. Dies kann beim Zusammenstoß mit Elektronen von der Elektronenhülle eines Gitteratoms passieren. Das Ion ist nachher anders positiv geladen.
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Verlagerung von Atomen: Wenn sich ein Ion durch ein Atomgitter bewegt, kann es passieren, dass es gegen mehrere Atome fliegt und diese von ihren Gitterplätzen wegstößt. Diese Atome stoßen wiederum auch andere Atome an. Die Oberfläche des Stoffes wird zerstört. Dies funktioniert jedoch nur, wenn die Masse des Ions keinen großen Unterschied zur Masse des Atoms aufweist.
 
Ionisation von Atomen: Wenn ein Ion an einem Atomkern vorbeifliegt, trifft es trotzdem die Elektronenhülle. Dabei kann das Ion ein paar Elektronen, die eine viel kleinere Masse haben, einfach aus der Elektronenhülle heraus stoßen. Das bewirkt natürlich, dass das Atom nach außen nicht mehr neutral geladen ist, sondern positiv. Werden heraus gestoßene Elektronen wieder eingefangen, kann Röntgenstrahlung emittiert werden.
 
Kernreaktion: Wenn ein Ion in ein Atomgitter eindringt und einen Atomkern trifft, kann es unter bestimmten Voraussetzungen zur Kernreaktion kommen. Das heißt, dass der Kern des Ions mit dem Kern des Atoms verschmilzt. Bei diesem Vorgang werden Gamma-Strahlen freigesetzt.

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(3) https://www.hzdr.de/db/cms?pOid=13670
(4) https://www.hzdr.de/db/Cms?pOid=13527#Zerstaeuben
(5) https://www.hzdr.de/db/Cms?pOid=13527#harte_Kugelmodell
(6) https://www.hzdr.de/db/cms?pOid=13676
(7) https://www.hzdr.de/db/cms?pOid=13674
(8) https://www.hzdr.de/db/cms?pOid=13672
(9) https://www.hzdr.de/db/cms?pOid=13674