Elektron

Das Elektron [ˈeːlɛktrɔn, eˈlɛk-, elɛkˈtroːn] (von altgriechisch ἤλεκτρον élektron ‚Bernstein‘, an dem Elektrizität zum ersten Mal beobachtet wurde; 1874 von Stoney und Helmholtz geprägt[9]) ist ein negativ geladenes Elementarteilchen. Sein Symbol ist e⁻. Die alternative Bezeichnung Negatron wird kaum noch verwendet und ist allenfalls in der Beta-Spektroskopie gebräuchlich.

Die in einem Atom oder Ion gebundenen Elektronen bilden dessen Elektronenhülle. Die gesamte Chemie beruht im Wesentlichen auf den Eigenschaften und Wechselwirkungen dieser gebundenen Elektronen. In Metallen ist ein Teil der Elektronen frei beweglich und bewirkt die hohe elektrische Leitfähigkeit von metallischen Leitern. Dies ist die Grundlage der Elektrotechnik. In Halbleitern ist die Zahl der beweglichen Elektronen und damit die elektrische Leitfähigkeit leicht zu beeinflussen, sowohl durch die Herstellung des Materials als auch später durch äußere Einflüsse wie Temperatur, elektrische Spannung, Lichteinfall etc. Dies ist die Grundlage der Elektronik. Aus jedem Material können bei starker Erhitzung oder durch Anlegen eines starken elektrischen Feldes Elektronen austreten (Glühemission, Feldemission). Als freie Elektronen können sie dann im Vakuum durch weitere Beschleunigung und Fokussierung zu einem Elektronenstrahl geformt werden. Dies hat die Entwicklung des Oszilloskops, des Fernsehers und des Computermonitors ermöglicht. Weitere Anwendungen freier Elektronen sind z. B. die Röntgenröhre, das Elektronenmikroskop, das Elektronenstrahlschweißen, physikalische Grundlagenforschung mittels Teilchenbeschleunigern und die Erzeugung von Synchrotronstrahlung für Forschungs- und technische Zwecke.

Beim Beta-Minus-Zerfall eines Atomkerns wird ein Elektron neu erzeugt und ausgesandt.

Der experimentelle Nachweis des Elektrons gelang erstmals Emil Wiechert[10] im Jahre 1897 und wenig später Joseph John Thomson.[11]

Geschichte der Entdeckung des Elektrons

Das Konzept einer kleinsten, unteilbaren Menge der elektrischen Ladung wurde um die Mitte des 19. Jahrhunderts verschiedentlich vorgeschlagen, unter anderen von Richard Laming, Wilhelm Weber und Hermann von Helmholtz.[12]

George Johnstone Stoney schlug 1874 die Existenz elektrischer Ladungsträger vor, die mit den Atomen verbunden sein sollten. Ausgehend von der Elektrolyse schätzte er die Größe der Elektronenladung ab, erhielt allerdings einen um etwa den Faktor 20 zu niedrigen Wert.[13] Beim Treffen der British Association in Belfast schlug er vor, die Elementarladung zusammen mit der Gravitationskonstante und Lichtgeschwindigkeit als fundamentale Naturkonstanten als Grundlage physikalischer Maßsysteme zu verwenden.[14][15] Stoney prägte auch gemeinsam mit Helmholtz den Namen electron für das „Atom der Elektrizität“.[16]

Emil Wiechert fand 1897, dass die Kathodenstrahlung aus negativ geladenen Teilchen besteht, die sehr viel leichter als ein Atom sind, stellte dann aber seine Forschungen hierzu ein. Im gleichen Jahr bestimmte Joseph John Thomson die Masse der Teilchen (er bezeichnete sie erst als corpuscules) genauer und konnte nachweisen, dass es sich unabhängig vom Kathodenmaterial und vom Restgas in der Kathodenstrahlröhre immer um die gleichen Teilchen handelt.[17] In dieser Zeit wurde anhand des Zeeman-Effektes nachgewiesen, dass diese Teilchen auch im Atom vorkommen und dort die Lichtemission verursachen. Damit war das Elektron als Elementarteilchen identifiziert.

Die Elementarladung wurde 1909 durch Robert Millikan gemessen.

Eigenschaften

Das Elektron ist das leichteste der elektrisch geladenen Elementarteilchen. Wenn die Erhaltungssätze für Ladung und Energie gelten – was aller physikalischen Erfahrung entspricht – müssen Elektronen daher stabil sein. In der Tat gibt es bisher keinerlei experimentellen Hinweis auf einen Elektronenzerfall.

Elektronen gehören zu den Leptonen und haben, wie alle Leptonen, einen Spin von 1/2. Als Teilchen mit halbzahligem Spin gehören sie zur Klasse der Fermionen, unterliegen also insbesondere dem Pauli-Prinzip. Ihre Antiteilchen sind die Positronen, Symbol e⁺, mit denen sie bis auf ihre elektrische Ladung in allen Eigenschaften übereinstimmen.

Einige der Grundeigenschaften des Elektrons, die in der Tabelle rechts aufgelistet sind, werden durch das magnetische Moment des Elektronenspins miteinander verknüpft:

${\displaystyle {\vec {\mu _{\mathrm {s} }}}=-g_{\mathrm {s} }{\frac {e}{2m_{\mathrm {e} }}}{\vec {s}}}$ .

Dabei ist ${\displaystyle {\vec {\mu _{\mathrm {s} }}}}$ das magnetische Moment des Elektronenspins, ${\displaystyle m_{\mathrm {e} }}$ die Masse des Elektrons, ${\displaystyle e}$ seine Ladung und ${\displaystyle {\vec {s}}}$ der Spin. ${\displaystyle g_{\mathrm {s} }}$ heißt Landé- oder g-Faktor. Der Term vor ${\displaystyle {\vec {s}}}$ , der das Verhältnis aus magnetischem Moment zum Spin beschreibt, wird als gyromagnetisches Verhältnis des Elektrons bezeichnet. Für das Elektron ist nach der Dirac-Theorie (relativistische Quantenmechanik) der theoretische Wert von ${\displaystyle g_{\mathrm {s} }}$ exakt gleich 2. Effekte der Quantenelektrodynamik bewirken jedoch eine (geringfügige) Abweichung des Wertes für ${\displaystyle g_{\mathrm {s} }}$ von 2. Die dadurch hervorgerufene Abweichung des magnetischen Moments wird als anomales magnetisches Moment des Elektrons bezeichnet.

Klassischer Radius und Punktförmigkeit

Kurz nach der Entdeckung des Elektrons versuchte man seine Ausdehnung abzuschätzen, insbesondere wegen der klassischen Vorstellung von kleinen Billardkugeln, die bei Streuexperimenten aufeinanderstoßen. Die Argumentation lief darauf hinaus, dass die Konzentration der Elektronenladung auf eine sehr kleine Ausdehnung des Elektrons Energie benötige, die nach dem Äquivalenzprinzip in der Masse des Elektrons stecken müsse. Unter der Annahme, dass die Energie ${\displaystyle E_{\text{Ruhe}}=m_{\mathrm {e} }\,c^{2}}$ eines Elektrons in Ruhe gleich der Selbstenergie ${\displaystyle {\frac {e^{2}}{4\pi \varepsilon _{0}r_{\mathrm {e} }}}}$ der Elektronenladung im eigenen elektrischen Feld sei, erhält man den klassischen Elektronenradius

${\displaystyle r_{\mathrm {e} }={\frac {e^{2}}{4\,\pi \,\varepsilon _{0}\,m_{\mathrm {e} }\,c^{2}}}=\alpha ^{2}\,a_{0}=2{,}817\,940\,3267\,(27)\cdot 10^{-15}~\mathrm {m} \ .}$ [18]

${\displaystyle e}$ : Elementarladung, ${\displaystyle \pi }$ : Kreiszahl, ${\displaystyle \varepsilon _{0}}$ : Elektrische Feldkonstante, ${\displaystyle m_{\mathrm {e} }}$ : Elektronenmasse, ${\displaystyle c}$ : Lichtgeschwindigkeit, ${\displaystyle \alpha }$ : Feinstrukturkonstante, ${\displaystyle a_{0}}$ : Bohrscher Radius.

Die Selbstenergie trennt dabei gedanklich elektrische Ladung und elektrisches Feld des Elektrons. Setzt man die Ladung −e in das Potential ${\displaystyle \phi (r)=-{\tfrac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}\cdot {\tfrac {e}{r}}}$ , wobei man sie zum Beispiel gleichmäßig auf eine Kugeloberfläche vom Radius ${\displaystyle r_{\mathrm {e} }}$ verteilt denkt, so ist dafür Energie nötig, die Selbstenergie. Es gab jedoch durchaus auch andere Herleitungen für eine mögliche Ausdehnung des Elektrons, die auf andere Werte kamen.[19][20][21][22]

Heute ist die Sichtweise bezüglich einer Ausdehnung des Elektrons eine andere: In den bisher möglichen Experimenten zeigen Elektronen weder Ausdehnung noch innere Struktur und können insofern als punktförmig angenommen werden. Die experimentelle Obergrenze für die Größe des Elektrons liegt derzeit bei etwa 10⁻¹⁹ m. Dennoch tritt der klassische Elektronenradius ${\displaystyle r_{\mathrm {e} }}$ in vielen Formeln auf, in denen aus den feststehenden Eigenschaften des Elektrons eine Größe der Dimension Länge (oder Fläche etc.) gebildet wird, um experimentelle Ergebnisse erklären zu können. Z. B. enthalten die theoretischen Formeln für die Wirkungsquerschnitte des Photo- und des Compton-Effekts das Quadrat von ${\displaystyle r_{\mathrm {e} }}$ .

Auch die Suche nach einem elektrischen Dipolmoment des Elektrons blieb bisher ohne positiven Befund. Ein Dipolmoment würde entstehen, wenn bei einem nicht punktförmigen Elektron der Schwerpunkt der Masse nicht gleichzeitig der Schwerpunkt der Ladung wäre. So etwas wird von Theorien der Supersymmetrie, die über das Standardmodell der Elementarteilchen hinausgehen, vorhergesagt. Eine Messung im Oktober 2013,[23] die das starke elektrische Feld in einem polaren Molekül ausnutzt, hat ergeben, dass ein eventuelles Dipolmoment mit einem Konfidenzniveau von 90 % nicht größer als 8,7•10⁻³¹  ${\displaystyle e}$  m ist. Anschaulich bedeutet das, dass Ladungs- und Massenmittelpunkt des Elektrons nicht weiter als etwa 10⁻³⁰ m auseinander liegen können. Theoretische Ansätze, nach denen größere Werte vorhergesagt wurden, sind damit widerlegt.

Wirkungsquerschnitt

Von der Ausdehnung des Elektrons zu unterscheiden ist sein Wirkungsquerschnitt für Wechselwirkungsprozesse. Bei der Streuung von Röntgenstrahlen an Elektronen erhält man z. B. einen Wirkungsquerschnitt, der einem effektiven Elektronenradius von etwa 3 · 10⁻¹⁵ m entspräche, was recht gut mit dem oben beschriebenen klassischen Elektronenradius übereinstimmt. Der totale Streuquerschnitt von Photonen an Elektronen beträgt im Grenzfall kleiner Photonenenergien ${\displaystyle (8/3)\pi r_{e}^{2}}$ (siehe Thomson-Streuung und Compton-Effekt).

Wechselwirkungen

Viele physikalische Erscheinungen wie Elektrizität, Elektromagnetismus und elektromagnetische Strahlung beruhen im Wesentlichen auf Wechselwirkungen von Elektronen. Elektronen in einem elektrischen Leiter werden durch ein sich änderndes Magnetfeld verschoben und es wird eine elektrische Spannung induziert. Die Elektronen in einem stromdurchflossenen Leiter erzeugen ein Magnetfeld. Ein beschleunigtes Elektron - natürlich auch beim Fall der krummlinigen Bewegung - emittiert Photonen, die sogenannte Bremsstrahlung (Hertzscher Dipol, Synchrotronstrahlung, Freie-Elektronen-Laser).

In einem Festkörper erfährt das Elektron Wechselwirkungen mit dem Kristallgitter. Sein Verhalten lässt sich dann beschreiben, indem statt der Elektronenmasse die abweichende effektive Masse verwendet wird, die auch abhängig von der Bewegungsrichtung des Elektrons ist.

Elektronen, die sich in polaren Lösungsmitteln wie Wasser oder Alkoholen von ihren Atomen gelöst haben, werden als solvatisierte Elektronen bezeichnet. Bei Lösung von Alkalimetallen in Ammoniak sind sie für die starke Blaufärbung verantwortlich.

Ein Elektron ist ein Quantenobjekt, das heißt, bei ihm liegt die durch die Heisenbergsche Unschärferelation beschriebene Orts- und Impulsunschärfe im messbaren Bereich, so dass wie bei Licht sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften beobachtet werden können,[24] was auch als Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet wird. In einem Atom kann das Elektron als stehende Materiewelle betrachtet werden.

Experimente

Das Verhältnis e/m der Elektronenladung zur Elektronenmasse kann als Schulversuch mit dem Fadenstrahlrohr ermittelt werden. Die direkte Bestimmung der Elementarladung gelang durch den Millikan-Versuch.

Bei Elektronen, deren Geschwindigkeit nicht vernachlässigbar klein gegenüber der Lichtgeschwindigkeit ist, muss der nichtlineare Beitrag zum Impuls nach der Relativitätstheorie berücksichtigt werden. Elektronen mit ihrer geringen Masse lassen sich relativ leicht auf so hohe Geschwindigkeiten beschleunigen; schon mit einer kinetischen Energie von 80 keV hat ein Elektron die halbe Lichtgeschwindigkeit. Der Impuls lässt sich durch die Ablenkung in einem Magnetfeld messen. Die Abweichung des Impulses vom nach klassischer Mechanik berechneten Wert wurde zuerst von Walter Kaufmann 1901 nachgewiesen und nach der Entdeckung der Relativitätstheorie zunächst mit dem Begriff der „relativistischen Massenzunahme“ beschrieben, der aber inzwischen als überholt angesehen wird.

Freie Elektronen

In der Kathodenstrahlröhre (Braunsche Röhre) treten Elektronen aus einer beheizten Glühkathode aus und werden im Vakuum durch ein elektrisches Feld in Feldrichtung (in Richtung der positiven Anode) beschleunigt. Durch Magnetfelder werden die Elektronen senkrecht zur Feldrichtung und senkrecht zur augenblicklichen Flugrichtung abgelenkt (Lorentzkraft). Diese Eigenschaften der Elektronen haben erst die Entwicklung des Oszilloskops, des Fernsehers und des Computermonitors ermöglicht.

Weitere Anwendungen freier Elektronen sind z. B. die Röntgenröhre, das Elektronenmikroskop, das Elektronenstrahlschweißen, physikalische Grundlagenforschung mittels Teilchenbeschleunigern und die Erzeugung von Synchrotronstrahlung für Forschungs- und technische Zwecke.

Weblinks

  Wiktionary: Elektron  – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

  Commons: Elektronen  – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• The Problem of Mass for Quarks and Leptons – Vortrag (engl.) von Harald Fritzsch am 22. März 2000 im Kavli Institute for Theoretical Physics (Vortragsunterlagen, 43 S. / Audioaufzeichnung, 82 min, 10 MB).

Einzelnachweise

1. ↑ CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology; abgerufen am 19. Juni 2011.  Elementarladung in C
2. ↑ CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology; abgerufen am 19. Juni 2011.  Elektronenmasse in u
3. ↑ CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology; abgerufen am 19. Juni 2011.  Elektronenmasse in kg
4. ↑ CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology; abgerufen am 19. Juni 2011.  Elektronenmasse in MeV/c²
5. ↑ CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology; abgerufen am 19. Juni 2011.  Compton-Wellenlänge
6. ↑ CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology; abgerufen am 19. Juni 2011.  Magnetisches Moment
7. ↑ CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology; abgerufen am 19. Juni 2011.  g-Faktor
8. ↑ CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology; abgerufen am 19. Juni 2011.  Gyromagnetisches Verhältnis
9. ↑ Károly Simonyi: Kulturgeschichte der Physik. Harri Deutsch, Thun, Frankfurt a. M. 1995, ISBN 3-8171-1379-X. , S. 380
10. ↑ Rechenberg, H. "The electron in physics-selection from a chronology of the last 100 years." European Journal of Physics 18.3 (1997) S. 145.
11. ↑ J.J. Thomson: Cathode Rays. In: Philosophical Magazine. 1897 (J. J. Thomson (1856–1940): Cathode Rays). 
12. ↑ Theodore Arabatzis: Representing Electrons: A Biographical Approach to Theoretical Entities.. University of Chicago Press, 2006, ISBN 978-0-226-02421-9, S. 70– (Zugriff am 14. April 2013).
13. ↑ Abraham Pais Inward Bound, S. 74
14. ↑ On the physical units of Nature, veröffentlicht erst 1881, Philosophical Magazine, Band 11, 1881, S. 381
15. ↑ Trans. Royal Dublin Society, Band 4, S. 583
16. ↑ Károly Simonyi: Kulturgeschichte der Physik. Harri Deutsch, Thun, Frankfurt a. M. 1995, ISBN 3-8171-1379-X. , S. 380
17. ↑ Encyclopedia Britannica 1911, Artikel Electron
18. ↑ CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology; abgerufen am 19. Juni 2011.  Klassischer Elektronenradius
19. ↑ W. Finkelburg: Einführung in die Atomphysik, Springer, 1976.
20. ↑ Dieter Meschede: Gerthsen Physik 22. Aufl. Berlin Springer, 2004. (Springer-Lehrbuch), Seite 592 und Aufgabe (17.4.5) Seite 967.
21. ↑ Paul Huber und Hans H. Staub: Atomphysik (Einführung in die Physik ; Band 3, Teil 1) Basel: Reinhardt 1970, Seite 170.
22. ↑ Richard Feynman: Lectures on Physics, Vol 1, Mechanics, Radiation and Heat, Addison-Wesley 1966 – Gleichung (32.11) Seite 32-4.
23. ↑ Clara Moskowitz: Zu rund für die Supersymmetrie. 15. November 2013; abgerufen am 19. November 2013. 
24. ↑
    • G. Möllenstedtund H. Düker: Beobachtungen und Messungen an Biprisma-lnterferenzen mit Elektronenwellen. In: Zeitschrift für Physik. Nr. 145, 1956, S. 377–397 (frei zugänglich nach Anmeldung).