Angenommen, Sie haben einen Leiter, der mit freien Elektronen gefüllt ist. Die Kerne haben eine schwache Anziehungskraft auf die Valenzelektronen, sodass sie sich im Leiter bewegen.
Aber die Elektronen verlassen den Festkörper nicht. Wenn Sie ein positiv geladenes Objekt in die Nähe des Leiters bringen, bewegen sich die Elektronen möglicherweise auf die andere Seite des Objekts, verlassen es jedoch nicht, fast so, als ob eine "Wand" es blockiert.
Warum wirken Oberflächen wie Barrieren/Wände für freie Elektronen?
Ich habe folgende Erklärungen bekommen:
1) Sie werden von den Kernen angezogen, also werden sie zurückgezogen.
Mein Problem dabei: Leiter haben eine schwache Anziehungskraft auf die Elektronen, warum braucht es also eine extrem große Kraft, um der Anziehungskraft der Kerne entgegenzuwirken? Und was macht die Grenze so besonders?
Wenn sich das Elektron innerhalb des Festkörpers frei bewegen kann, was macht es dann so viel schwieriger, sich außerhalb des Festkörpers zu bewegen, da die Kraft durch die Kerne dieselbe ist?
2) Stellen Sie sich die Elektronen als von den Kernen durch eine Schnur gehalten vor. Wenn Sie daran ziehen, können Sie das Elektron möglicherweise wegbewegen, aber Sie würden eine stärkere Kraft benötigen, um die "Schnur" der Kerne zu brechen.
Mein Problem dabei: Diese Analogie funktioniert nicht. Elastische Saiten folgen dem Hookeschen Gesetz:
Elektromagnetische Kräfte folgen jedoch dem Gesetz von Columb:
Mit zunehmendem Abstand nimmt die Rückzugskraft ab .
Beachten Sie auch, dass ich weiß, dass Sie Elektronen dazu bringen können , einen Leiter zu verlassen, aber dies erfordert eine hohe Spannung.
Verwandte: Warum braucht Strom Drähte, um zu fließen?
Wenn Sie mich auf der Straße anhalten und mich fragen würden, würde ich annehmen, dass dies wahrscheinlich daran liegt, dass die Anziehungskräfte der Kerne im Inneren des Leiters ziemlich gleichmäßig sind, sodass die Bewegung in eine Richtung so einfach ist wie die Bewegung in jede andere. An der Oberfläche wirken jedoch nur Kräfte auf einer Seite des Elektrons, nämlich von den Kernen auf der Oberfläche des Leiters. Die Luftmoleküle ziehen die Elektronen nicht stark genug an, um sie wegzuziehen, weil sie entweder neutrale oder relativ schwache Dipole sind. Als Ergebnis werden Elektronen effektiv an die Oberfläche des Leiters gebunden, es sei denn, es wird eine ausreichend hohe Spannung angelegt, um die starken Anziehungen der Kerne des Leiters zu überwinden.
Oder so würde ich vermuten.
Vergessen wir nicht, dass wir, wenn wir von Elektronen sprechen, von Elementarteilchen sprechen .
Elementarteilchen bewegen sich immer innerhalb der Grenzen der Quantenmechanik . In der QM sieht das Elektron ein Potential, dh Anziehung der Kern(kerne)ladungen, und wird dadurch entweder in einem Energieniveau gebunden oder es ist frei. Es kann an einen einzelnen Kern gebunden sein, an ein Molekül, das die Kerne teilt, an einen Kristall, der 10^23 Kerne teilt. Letzteres geschieht gewissermaßen bei Metallen.
Die QM-Zustände sind auf dem gemeinsamen Potential der Kerne im Gitter des Metalls definiert, ein Vielteilchenproblem, dennoch sind die Elektronen an ein bestimmtes Energieniveau gebunden, das durch dieses Potential definiert ist; in Metallen haben die äußeren Elektronen aufgrund der großen Anzahl von Kernen im Gitter und der Struktur der Kerne* ein Energieband zur Verfügung , in dem die Energieniveauunterschiede der vielen Niveaus sehr gering sind.
Da zwei Elektronen nicht den gleichen Zustand einnehmen können, bedeutet dies, dass ihnen für jede Richtungsänderung etwas Energie in Form von virtuellen oder realen Photonen zugeführt werden muss, um die notwendige Änderung der Energieniveaubesetzung zu erreichen. Da diese Energieniveauunterschiede innerhalb des Bandes in vertikaler Richtung zur Oberfläche gering sind, haben sie nur innerhalb des Bandes die Beweglichkeit, die wir im Metall messen, und sammeln sich dort an, wo die Gesamtpotentialdifferenz sie anzieht: dh Sprungenergieniveaus, die Energie absorbieren wie virtuelle Photonen aus dem Potential innerhalb des Bandes.
Um aus dem Band und der Oberfläche des Metalls herauszukommen, muss ein Elektron ein virtuelles oder reales Photon mit viel höherer Energie absorbieren als die Energie, die die virtuellen Photonen für die "Bewegung" innerhalb des Bandes benötigen. In gewissem Sinne erfüllt das Band die Rolle des spezifischen Energiezustands eines Elektrons beispielsweise in einem Wasserstoffatom, bis hin zum Ausbruch aus der Oberfläche. Die Dipole und höheren Momente neutraler Moleküle können diese Energie nicht mit Off-Masse-Shell-Photonen liefern, können die Elektronen nicht genug aus dem Band anziehen, um sie herauszuschmeißen und sie an das Molekül zu binden.
Kurz gesagt, es muss viel mehr Energie in Form von virtuellen oder realen Photonen absorbiert werden, um aus dem Band/der Oberfläche herauszukommen, als sich innerhalb des Bandes zu bewegen. In gewissem Sinne ist die in Metallen vorhandene Bandstruktur der ungewöhnliche Zustand der Materie, da alle Materie ihre Elektronen nur schwer an die Luft abgibt (virtuelle oder reale Photonen mit großer Energie). Die Bandstruktur ermöglicht die Beweglichkeit im Metall und ist das einzigartige Merkmal, das einer Erklärung bedarf, die ich hoffentlich gegeben habe.
Obwohl ich mich mit diesen Themen wirklich nicht auskenne, werde ich versuchen, Ihre Frage in einer ziemlich einfachen und nicht mathematischen Sprache zu beantworten.
Die Barriere ist nicht die Wand des Leiters. Stattdessen ist es die Luft zwischen dem geladenen Körper und dem Leiter. Elektronen können sich einfach nicht frei in der Luft bewegen, es sei denn, es gibt einen wirklich stark geladenen Körper (das passiert bei Blitzen oder Funken).
Nun zum Warum Teil Ihrer Frage. Elektronen springen von Atom zu Atom und durchqueren es dann. Die Atome des Leiters erlauben das Durchqueren von Elektronen, aber Luft nicht, weil Luft keine freien Elektronen hat. Die Elektronen in der Nähe der Oberfläche dürfen sich also nicht weiter bewegen. Und ich denke, dass VINAY in und VINAY ein gutes Diagramm gegeben hat, um meine Erklärung zu verdeutlichen.
Kurz gesagt, innerhalb des Leiters können die Elektronen durchqueren, aber das kann außerhalb des Leiters nicht passieren. Ich hoffe, das räumt Ihre Zweifel aus.
dfg
EtaZetaTheta