Physik




Newton, der die Mechanik als geschlossenes System formuliert hat, hat einmal gesagt: "Dass ich so weit sehen kann, liegt daran, dass ich auf den Schultern von Riesen stehe."  Er meinte damit diejenigen, die über Jahrtausende die Vorarbeit nicht nur für ihn sondern für die ganze Menschheit geleistet haben.
Eine solche Bescheidenheit täte vielen heute gut.

Ein gutes Beispiel ist die Entwicklung der Elektromagnetik. Elektrische und magnetische Effekte sind seit
Jahrtausenden bekannt, wurden aber oft als Magie betrachtet und für "Zauberei" benutzt. Einen Schub gab es in der Renaissance und der Aufklärung, als man sich von der Religion als Erklärungsmodell löste. Es gab viele Irrwege. Michael Faradays Verdienst war es, alles damals darüber Bekannte zu sammeln, zu sichten und dann aufzuräumen. Maxwell hat auf dieser Basis das Ganze in die Sprache der Naturwissenschaft, die Mathematik, gefasst. Heinrich Hertz hat als Konsequenz aus diesen Formeln erkannt, dass es elektromagnetische Wellen gibt, die sich wie Licht ausbreiten, was er in seinen Experimenten zu Beugung, Brechung, Reflexion und Fokussierung bewiesen hat.

Nun zur Anwendung.
Nach zwei Jahren Dienst als Funker in einem Fernmeldebataillion habe ich als Studienfach die Elektrotechnik gewählt, nicht zuletzt um zu erfahren, wie ein Transistor funktioniert. Mein Vertiefungsfach war Elektronik/Elektrophysik mit Schwerpunkt Herstellung und Analyse von Halbleiterbauelementen.
Halbleiter spielen heute eine grundlegende Rolle in der Elektronik, ob in Netzteilen, LED-Lampen, Smartphones, Fernsehern, PCs oder in Automobilen. Für die weitaus meisten Halbleiter bildet eines der häufigsten Elemente der Erdkruste, Silizium, die Grundlage. Als Siliziumdioxid gibt es davon buchstäblich so viel wie Sand am Meer.
Benötigt wird das Silizium aber in extrem reiner Form und streng einkristallin aufgebaut, d.h., jede Elementarzelle des Kristalls reiht sich genau an die Nachbarzellen. Die Konfiguration wird als kubisch flächenzentriert bezeichnet, da sie acht Atome in den Ecken hat und sechs auf den Seitenflächen. Dazu kommen noch insgesamt vier Atome auf jeweils einer Raumdiagonale, mit einem Abstand von einem Viertel der Diagonallänge vom nächsten Eckatom. Diese Anordnung wird auch als Diamantgitter bezeichnet, da die Kohlenstoffatome im Diamanten gleichartig angeordnet sind.
Die Atome auf den Diagonalen haben ihre vier stärksten Bindungen zu den nächsten Nachbarn, d.h., zum Eckatom und den nächsten Flächenatomen. Die Längen der Bindungen und damit ihre Kräfte sind dann identisch. Auch andere Halbleiter wie das Germanium besitzen den gleichen Aufbau. Oft werden auch die Atome auf den Diagonalen mit ihren vier nächsten Nachbarn als Elementarzelle bezeichnet, was aber nicht korrekt ist. Die Elementarzellen müssen durch einfache Translation ineinander übergehen.

Um einen Eindruck von dieser Struktur zu bekommen, kann durch Klicken auf das Bild eine animierte 3D-Ansicht aktiviert werden: Drehen durch Mausklick und Ziehen, Zoom durch das Mausrad. Noscript muss deaktiviert sein.
Diamant

Kohlenstoff kristallisiert nicht nur in der Dimantstruktur, sondern als Graphit auch in hexagonaler Anordnung in Ebenen, die leicht gegeneinander verschiebbar sind. Das wird genutzt beim Bleistift oder für Schmierstoffe für höhere Temperaturen. Hier
eine animierte 3D-Ansicht, der Übersicht halber nur ein kleiner Ausschnitt mit lediglich zwei Ebenen und den Bindungen zu den nächsten Nachbarn:

Graphit