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Elektron: Unterschied zwischen den Versionen

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|masse_u = 5,485&nbsp;799&nbsp;090&nbsp;65(16)&nbsp;·&nbsp;10<sup>−4</sup>&nbsp;<ref>{{Internetquelle |url=http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?meu |titel=CODATA Recommended Values |hrsg=National Institute of Standards and Technology |abruf=2019-05-20}} Elektronenmasse in [[Atomare Masseneinheit|u]]. Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes, diese Unsicherheit ist als [[w:CODATA#Standardunsicherheiten von CODATA-Werten|geschätzte Standardabweichung]] des angegebenen Zahlenwertes vom tatsächlichen Wert angegeben.</ref>
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|g_faktor = −2,002&nbsp;319&nbsp;304&nbsp;362&nbsp;56(35)<ref name="CODATA-gem">{{Internetquelle |url=http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?gem |titel=CODATA Recommended Values |hrsg=National Institute of Standards and Technology |abruf=2019-05-20}} g-Faktor. Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes, diese Unsicherheit ist als [[w:CODATA#Standardunsicherheiten von CODATA-Werten|geschätzte Standardabweichung]] des angegebenen Zahlenwertes vom tatsächlichen Wert angegeben.</ref>
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Das '''Elektron''' (''[[Internationales Phonetisches Alphabet|IPA]]:'' [{{IPA|ˈeːlɛktrɔn, eˈlɛk-, elɛkˈtroːn}}]<ref name="Kleiner-et-al" /><ref name="Krech-et-al" />, {{Audio|De-Elektron.ogg|anhören}}, {{Audio|De-Elektron2.ogg|anhören}}, {{Audio|De-at-Elektron.ogg|anhören}}; von {{grcS|ἤλεκτρον|élektron}} „[[Bernstein]]“, an dem [[Elektrizität]] schon in der Antike untersucht wurde; 1874 von [[George Johnstone Stoney|Stoney]] und [[Helmholtz]] geprägt<ref>{{Literatur |Autor=Károly Simonyi |Titel=Kulturgeschichte der Physik |Verlag=Harri Deutsch, Thun |Ort=Frankfurt a.&nbsp;M. |Datum=1995 |ISBN=3-8171-1379-X |Seiten=380}}</ref>) ist ein [[Elektrische Ladung|negativ geladenes]] [[Elementarteilchen]]. Sein Symbol ist e<sup>−</sup>. Die alternative Bezeichnung '''Negatron''' (aus '''''nega'''tive Ladung'' und ''Elek'''tron''''') wird kaum noch verwendet und ist allenfalls in der [[Betazerfall|Beta-Spektroskopie]] gebräuchlich.
Das '''Elektron''' '''e<sup>-</sup>''' (von {{ELSalt|ήλεκτρον}} ''elektron'' „hellgold, nach der Farbe des [[Bernstein]]s“) ist ein elektrisch einfach [[negative Ladung|negativ geladenes]] und darum auch [[Masse (Physik)|massebehaftetes]] (m<sub>e</sub> ≈ 9,109&nbsp;383&nbsp;56(11)&nbsp;·&nbsp;10<sup>−31</sup>&nbsp;kg ≈ 5,5&nbsp;·&nbsp;10<sup>−4</sup>&nbsp;[[Atomare Masseneinheit|u]])<ref>{{Internetquelle |url=http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?me |hrsg=National Institute of Standards and Technology |titel=CODATA Recommended Values |zugriff=2019-02-03}}</ref> [[Elementarteilchen]], das nach dem [[Standardmodell der Teilchenphysik]] zu den [[Leptonen]] gezählt wird. Als echtes Elementarteilchen zeigt es keine innere Struktur. Daher wird ein einzelnes freies Elektron idealerweise als ausdehnungsloser [[Punkt]] vorgestellt. Sein zugehöriges [[Antiteilchen]] ist das [[Positive Ladung|positiv geladene]] '''Positron''' '''e<sup>+</sup>'''.  


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 [[Metalle]]n ist ein Teil der Elektronen frei beweglich und bewirkt die hohe [[elektrische Leitfähigkeit]] metallischer [[Leiter (Physik)|Leiter]]. Dies ist die Grundlage der [[Elektrotechnik]] und der [[Elektronik]]. In [[Halbleiter]]n 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 [[Halbleiterelektronik]]. 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 von [[Kathodenstrahlröhre]]n (CRTs) für [[Oszilloskop]]e, [[Fernseher]] und [[Computermonitor]]e ermöglicht. Weitere Anwendungen freier Elektronen sind z.&nbsp;B. die [[Röntgenröhre]], das [[Elektronenmikroskop]], das [[Schweißen#Elektronenstrahlschweißen|Elektronenstrahlschweißen]], physikalische Grundlagenforschung mittels [[Teilchenbeschleuniger]]n und die Erzeugung von [[Synchrotronstrahlung]] für Forschungs- und technische Zwecke.
Technisch etwa mittels einer [[w:Kathodenstrahlröhre|Kathodenstrahlröhre]] erzeugte '''Elektronenstahlen''' wurden früher auch als '''Kathodenstrahlen''' bezeichnet. [[1887]] konnte [[w:Joseph John Thomson|Joseph John Thomson]] (1856-1940) zeigen, dass Kathodenstrahlen aus negativ elektrisch geladenen [[Teilchen]] ({{EnS|particle}}) bestehen. Die Bezeichnung „Elektron“ wurde [[1894]] von dem [[Irland|irischen]] [[Physik]]er [[w:George Johnstone Stoney|George Johnstone Stoney]] (1826-1911) vorgeschlagen<ref>
{{cite journal
|last=Stoney |first=G. Johnstone |authorlink=w:George Johnstone Stoney
|date=October 1894
|title=Of the 'Electron' or Atom of Electricity
|journal=[[w:Philosophical Magazine|Philosophical Magazine]] |series=5
|doi=10.1080/14786449408620653
|volume=38 |issue=233 |pages=418–420
|url=http://www.chemteam.info/Chem-History/Stoney-1894.html
}}</ref>, nachdem er schon [[1874]] mit den [[Atom]]en in Zusammenhang stehende [[elektrische Ladung|elektrische Ladungsträger]] mit einheitlich großer Ladung postuliert hatte.  


Beim [[Beta-Minus-Zerfall]] eines [[Atomkern]]s wird ein Elektron neu erzeugt und ausgesandt.
Elektronen sind maßgeblich am Aufbau der [[Materie]] beteiligt. Sie umgeben als [[Elektronenhülle]] den positiv geladenen [[Atomkern]]. Die Hülle gliedert sich in einzelne Schalen bzw. Orbitale. Als Teilchen mit halbzahligen [[Spin]] sind die Elektronen nach den Gesetzen der [[Quantentheorie]] [[Fermionen]] und unterliegen deshalb dem [[Pauli-Prinzip]], nach dem die Elektronen der Hülle nicht in allen Quantenzahlen übereinstimmen dürfen. Sie können sich daher nicht im untersten, energieärmsten [[Atomorbital]] zusammendrängen, sondern müssen sich auch auf höhere, ausgedehntere und energiereichere Orbitale verteilen und bedingen dadurch die relativ große räumliche Ausdehnung der Elektronenhülle, die den Atomkern um das 10.000- bis 150.000-fache übertrifft.  


Der experimentelle Nachweis des Elektrons gelang erstmals [[Emil Wiechert]]<ref>{{Literatur |Autor=H. Rechenberg |Titel=The electron in physics – selection from a chronology of the last 100 years |Sammelwerk=European Journal of Physics |Band=18.3 |Datum=1997 |Seiten=145}}</ref> im Jahre 1897 und wenig später [[Joseph John Thomson]].<ref name="thomson">{{Literatur |Autor=J.J. Thomson |Titel=Cathode Rays |Sammelwerk=Philosophical Magazine |Band=44 |Datum=1897 |Seiten=293 |Kommentar=J. J. Thomson (1856–1940): Cathode Rays |Online=[http://web.lemoyne.edu/~GIUNTA/thomson1897.html Online]}}</ref>
Die Elektronen der äußersten Schale, der sogenannten [[Valenzschale]], bestimmen die [[Chemie|chemische Eigenschaften]] eines Atoms und seine Stellung im [[Periodensystem der chemischen Elemente]].


== Geschichte der Entdeckung des Elektrons ==
<gallery class="center" widths="200" heights="200">
Das Konzept einer kleinsten, unteilbaren Menge der elektrischen Ladung wurde um die Mitte des 19. Jahrhunderts verschiedentlich vorgeschlagen, unter anderen von [[Richard Laming]], [[Wilhelm Eduard Weber|Wilhelm Weber]] und [[Hermann von Helmholtz]].<ref>{{Literatur |Autor=Theodore Arabatzis |Titel=Representing Electrons: A Biographical Approach to Theoretical Entities |Verlag=University of Chicago Press |Datum=2006 |ISBN=0-226-02421-0 |Seiten=70 f. |Sprache=en |Online={{Google Buch |BuchID=rZHT-chpLmAC |Seite=70}}}}</ref>
Atom-schematic de.svg|Schematische Darstellung des Atoms mit Kern und Elektronenhülle (nicht maßstäblich, sonst wäre der untere Pfeil ca. 50&nbsp;m lang).
Katódsugarak mágneses mezőben(2).jpg|Eine Schattenkreuzröhre in Betrieb: Auf der linken Seite ist in der durch die Kathodenstrahlen erzeugten Leuchterscheinung der Schatten der kreuzförmigen Anode zu sehen.
</gallery>


[[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.<ref>Abraham Pais ''Inward Bound'', S. 74.</ref> Beim Treffen der British Association in Belfast schlug er vor, die Elementarladung als eine weitere fundamentale Naturkonstante zusammen mit der Gravitationskonstante und der Lichtgeschwindigkeit als Grundlage physikalischer Maßsysteme zu verwenden.<ref>''On the physical units of Nature'', veröffentlicht erst 1881, Philosophical Magazine, Band 11, 1881, S. 381.</ref><ref>Trans. Royal Dublin Society, Band 4, S. 583.</ref> Stoney prägte auch gemeinsam mit Helmholtz den Namen ''electron'' für das „Atom der Elektrizität“.<ref>{{Literatur |Autor=Károly Simonyi |Titel=Kulturgeschichte der Physik |Verlag=Harri Deutsch, Thun |Ort=Frankfurt a. M. |Datum=1995 |ISBN=3-8171-1379-X |Seiten=380}}</ref>
== Zu vielen weiteren Themen siehe auch ==
 
* {{WikipediaDE|Elektron}}
[[Emil Wiechert]] fand 1897 heraus, 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.<ref>Encyclopedia Britannica 1911, Artikel ''Electron''.</ref> In dieser Zeit wurde anhand des [[Zeeman-Effekt]]es 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 Andrews Millikan|Robert Millikan]] gemessen.
 
== Eigenschaften ==
Das Elektron ist das leichteste der elektrisch geladenen Elementarteilchen. Wenn die [[Erhaltungssatz|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.
 
Das Elektron gehört zu den [[Lepton]]en und hat wie alle Leptonen einen [[Spin]] (genauer: Spinquantenzahl) von ½. Als Teilchen mit halbzahligem Spin gehört es zur Klasse der [[Fermion]]en, unterliegt also insbesondere dem [[Pauli-Prinzip]]. Sein [[Antiteilchen]] ist das [[Positron]], Symbol e<sup>+</sup>, mit dem es bis auf seine elektrische Ladung in allen Eigenschaften übereinstimmt.
 
Einige der Grundeigenschaften des Elektrons, die in der oben stehenden Tabelle aufgelistet sind, werden durch das [[Magnetisches Moment|magnetische Moment]] des [[Elektronenspin]]s miteinander verknüpft:
 
:<math>
\vec{\mu_\mathrm{s}} = -g_\mathrm{s}\frac{e}{2m_\mathrm{e}}\vec{s}
</math>.
 
Dabei ist <math>\vec{\mu_\mathrm{s}}</math> das magnetische Moment des Elektronenspins, <math>m_\mathrm{e}</math> die [[Masse (Physik)|Masse]] des Elektrons, <math>e</math> seine Ladung und <math>\vec{s}</math> der [[Spin]]. <math>g_\mathrm{s}</math> heißt Landé- oder [[Landé-Faktor|g-Faktor]]. Der [[Term]] vor <math>\vec s</math>, der das Verhältnis des magnetischen Moments zum Spin beschreibt, wird als [[gyromagnetisches Verhältnis]] des Elektrons bezeichnet. Für das Elektron wäre nach der [[Dirac-Gleichung|Dirac-Theorie]] (relativistische Quantenmechanik) <math>g_\mathrm{s}</math> exakt gleich 2. Effekte, die erst durch die [[Quantenelektrodynamik]] erklärt werden, bewirken jedoch eine messbare geringfügige Abweichung von 2. Diese Abweichung wird als ''[[Elektronenspin#Anomales magnetisches Moment des Elektrons|anomales magnetisches Moment des Elektrons]]'' bezeichnet.
[[Datei:Standard Model of Elementary Particles-de.svg|mini|300px|[[Standardmodell]] der [[Elementarteilchen]]: die 12 Grund[[fermion]]en und 5 Grund[[boson]]en; das Elektron reiht sich unter den [[Lepton]]en ein]]
 
== {{Anker|Klassischer Radius}} Klassischer Radius und Punktförmigkeit ==
Kurz nach der Entdeckung des Elektrons versuchte man seine Ausdehnung abzuschätzen, insbesondere wegen der klassischen Vorstellung kleiner Billardkugeln, die bei [[Streuexperiment]]en aufeinanderstoßen. Die Argumentation lief darauf hinaus, dass die Konzentration der Elektronenladung auf eine sehr kleine Ausdehnung des Elektrons Energie benötige, die nach dem [[Allgemeine Relativitätstheorie#Äquivalenzprinzip|Äquivalenzprinzip]] in der Masse des Elektrons stecken müsse. Unter der Annahme, dass die Energie <math>E_{\text{Ruhe}} = m_\mathrm{e}\, c^2</math> eines Elektrons in Ruhe gleich der doppelten [[Selbstenergie]] <math>\frac{e^2}{4\pi\varepsilon_0 r_\mathrm{e}}</math> der Elektronenladung im eigenen elektrischen Feld sei, erhält man den '''klassischen Elektronenradius'''
:<math>r_\mathrm{e} = \frac{e^2}{4\,\pi\, \varepsilon_0\, m_\mathrm{e}\,c^2} = \alpha^2\, a_0 = 2{,}817\,940\,3262\,(13)\cdot 10^{-15}~\mathrm{m} \ </math><ref name="CODATA-re">{{Internetquelle |url=http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?re |titel=CODATA Recommended Values |hrsg=National Institute of Standards and Technology |abruf=2019-05-20}} Klassischer Elektronenradius. Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes, diese Unsicherheit ist als [[CODATA#Standardunsicherheiten von CODATA-Werten|geschätzte Standardabweichung]] des angegebenen Zahlenwertes vom tatsächlichen Wert angegeben.</ref>
<math>e</math>: [[Elementarladung]], <math>\pi</math>: [[Kreiszahl]], <math>\varepsilon_0</math>: [[Elektrische Feldkonstante]], <math>m_\mathrm{e}</math>: Elektronenmasse, <math>c</math>: [[Lichtgeschwindigkeit]], <math>\alpha</math>: [[Feinstrukturkonstante]], <math>a_0</math>: [[Bohrscher Radius]].
 
Die Selbstenergie trennt dabei gedanklich elektrische Ladung und elektrisches Feld des Elektrons. Setzt man die Ladung ''−e'' in das Potential <math>\phi(r) = -\tfrac{1}{4\pi\varepsilon_0} \cdot \tfrac{e}{r}</math>, wobei man zum Beispiel ein zweites Elektron gleichmäßig auf eine Kugeloberfläche vom Radius <math>r_\mathrm{e}</math> verteilt denkt, so ist dafür Energie nötig, die ''Selbstenergie'' eines einzigen Elektrons beträgt hiervon die Hälfte. Es gab jedoch durchaus auch andere Herleitungen für eine mögliche Ausdehnung des Elektrons, die auf andere Werte kamen.<ref>W. Finkelburg: ''Einführung in die Atomphysik'', Springer, 1976.</ref><ref>[[Dieter Meschede]]: [[Gerthsen Physik]] 22. Aufl. Berlin Springer, 2004. (Springer-Lehrbuch), Seite 592 und Aufgabe (17.4.5) Seite 967.</ref><ref>Paul Huber und Hans H. Staub: Atomphysik (Einführung in die Physik; Band 3, Teil 1) Basel: Reinhardt 1970, Seite 170.</ref><ref>[[Richard Feynman]]: Lectures on Physics, Vol 1, Mechanics, Radiation and Heat, Addison-Wesley 1966 – Gleichung (32.11) Seite 32–4.</ref>
 
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<sup>−19</sup>&nbsp;m. Dennoch tritt der ''klassische Elektronenradius'' <math>r_\mathrm{e}</math> 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.&nbsp;B. enthalten die theoretischen Formeln für die [[Wirkungsquerschnitt]]e des Photo- und des Compton-Effekts das Quadrat von <math>r_\mathrm{e}</math>.
 
Auch die Suche nach einem [[Elektrisches Dipolmoment|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; es würde die [[Zeitumkehr (Physik)|T-Symmetrie]] verletzen (zur Begründung siehe: [[Elektrisches Dipolmoment des Neutrons]]). Eine Messung im Oktober 2013,<ref>{{Internetquelle |autor=Clara Moskowitz |url=http://www.spektrum.de/alias/form-des-elektrons/zu-rund-fuer-die-supersymmetrie/1214120?_druck=1 |titel=Zu rund für die Supersymmetrie |datum=2013-11-15 |abruf=2013-11-19}}</ref> die das starke elektrische Feld in einem polaren Molekül ausnutzt, hat ergeben, dass ein eventuelles Dipolmoment mit einem [[Konfidenzintervall|Konfidenzniveau]] von 90 % nicht größer als {{ZahlExp|8,7|-31|pre=''e''&nbsp;·|post=m}} ist. Anschaulich bedeutet das, dass Ladungs- und Massenmittelpunkt des Elektrons nicht weiter als etwa 10<sup>−30</sup>&nbsp;m auseinanderliegen können. Theoretische Ansätze, nach denen größere Werte vorhergesagt wurden, sind damit widerlegt.
 
== Wirkungsquerschnitt ==
Von der (eventuellen) Ausdehnung des Elektrons zu unterscheiden ist sein [[Wirkungsquerschnitt]] für Wechselwirkungsprozesse. Bei der Streuung von [[Röntgenstrahlung|Röntgenstrahlen]] an Elektronen erhält man z.&nbsp;B. einen [[Streuquerschnitt]] von etwa <math>\pi r_\mathrm e^2</math>, was der Kreisfläche mit dem oben beschriebenen klassischen Elektronenradius <math>r_\mathrm e</math> entspräche. Im Grenzfall großer Wellenlängen, d.&nbsp;h. kleiner Photonenenergien, steigt der Streuquerschnitt auf <math>(8/3) \pi r_\mathrm e^2</math> (siehe [[Thomson-Streuung]] und [[Compton-Effekt]]).
 
== Wechselwirkungen ==
Viele physikalische Erscheinungen wie [[Elektrizität]], [[Elektromagnetismus]] und [[Elektromagnetische Welle|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 [[Beschleunigung|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 [[Polarität (Chemie)|polaren]] [[Lösungsmittel]]n wie [[Wasser]] oder [[Alkohole]]n von ihren Atomen gelöst haben, werden als [[Solvatisiertes Elektron|solvatisierte Elektronen]] bezeichnet. Bei Lösung von [[Alkalimetall]]en 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 [[Welle]]n- als auch [[Teilchen (Physik)|Teilcheneigenschaften]] beobachtet werden können,<ref>{{Literatur |Autor=G. Möllenstedt und H. Düker |Titel=Beobachtungen und Messungen an Biprisma-Interferenzen mit Elektronenwellen |Sammelwerk=Zeitschrift für Physik |Nummer=145 |Datum=1956 |Seiten=377–397 |Online=[http://finden.nationallizenzen.de/Record/ZDB-1-SOJ%40198892616 frei zugänglich nach Anmeldung]}}</ref> was auch als [[Welle-Teilchen-Dualismus]] bezeichnet wird. In einem Atom kann das Elektron als stehende [[Materiewelle]] betrachtet werden.
 
== Experimente ==
Das Verhältnis ''[[Spezifische Ladung|e/m]]'' der [[Elementarladung|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 [[Kinetische Energie|kinetischen Energie]] von 80&nbsp;[[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 (Physiker)|Walter Kaufmann]] 1901 nachgewiesen und nach der Entdeckung der Relativitätstheorie zunächst mit dem Begriff der „[[Relativistische Masse|relativistischen Massenzunahme]]“ beschrieben, der aber inzwischen als überholt angesehen wird.
 
== Freie Elektronen ==
[[Datei:Crookes tube-in use-lateral view-2 prPNr°09.jpg|mini|Fluoreszenz durch Elektronen in einer [[Schattenkreuzröhre]]]]
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]]) [[Beschleunigung|beschleunigt]]. Durch [[Magnetfeld]]er werden die Elektronen senkrecht zur Feldrichtung und senkrecht zur augenblicklichen Flugrichtung abgelenkt ([[Lorentzkraft]]). Diese Eigenschaften der Elektronen haben erst die Entwicklung des [[Oszilloskop]]s, des [[Fernseher]]s und des [[Computermonitor]]s ermöglicht.
 
Weitere Anwendungen freier Elektronen sind z.&nbsp;B. die [[Röntgenröhre]], das [[Elektronenmikroskop]], das [[Schweißen#Elektronenstrahlschweißen|Elektronenstrahlschweißen]], physikalische Grundlagenforschung mittels [[Teilchenbeschleuniger]]n und die Erzeugung von [[Synchrotronstrahlung]] für Forschungs- und technische Zwecke. Siehe dazu [[Elektronenstrahltechnik]].


== Siehe auch ==
== Siehe auch ==
* {{WikipediaDE|Elektron}}
* {{WikipediaDE|Elektron}}


== Weblinks ==
== Einzelnachweise ==
{{Wiktionary}}
{{Commonscat|Electrons|Elektronen}}
* [http://online.itp.ucsb.edu/online/colloq/fritzsch1/ ''The Problem of Mass for Quarks and Leptons''] – Vortrag (englisch) von Harald Fritzsch am 22. März 2000 im [[Kavli Institute for Theoretical Physics]] (Vortragsunterlagen, 43 S. / Audioaufzeichnung, 82 min, 10 MB).


== Einzelnachweise ==
<references />
<references>
<ref name="C-def">
Dieser Wert gilt exakt, weil die Maßeinheit „[[Coulomb]]“ seit 2019 dadurch definiert ist, dass der Elementarladung dieser Wert zugewiesen wurde:
{{Internetquelle
|url=https://www.bipm.org/en/committees/cg/cgpm/26-2018/resolution-1
|titel=Resolution 1 of the 26th CGPM. On the revision of the International System of Units (SI)
|titelerg=
|werk=
|hrsg=[[Internationales Büro für Maß und Gewicht|Bureau International des Poids et Mesures]]
|datum=2018
|sprache=en
|abruf=2023-01-12
}}
</ref>
<ref name="Kleiner-et-al">
{{Literatur
|Autor= Stefan Kleiner [[et al.]]
|Titel=Duden Aussprachewörterbuch
|TitelErg=Der Duden in zwölf Bänden, Band 6
|Auflage=7
|Verlag=Dudenverlag
|Ort=Berlin
|Datum=2015
|ISBN=978-3-411-04067-4
|Seiten=338}}
</ref>
<ref name="Krech-et-al">
{{Literatur
|Autor=Eva-Maria Krech, Eberhard Stock, Ursula Hirschfeld, Lutz Christian Anders
|Titel=Deutsches Aussprachewörterbuch
|Auflage=1
|Verlag=Walter de Gruyter
|Ort=Berlin, New York
|Datum=2009
|ISBN=978-3-11-018202-6
|Seiten=475}}
</ref>
</references>


[[Kategorie:Elektronenstrahltechnologie]]
[[Kategorie:Elektronenstrahltechnologie]]

Version vom 13. Februar 2023, 07:48 Uhr

Elektron (e−)

Klassifikation
Elementarteilchen
Fermion
Lepton
Eigenschaften
elektrische Ladung −1 e
(−1,602 176 634 · 10−19 C[1])
Masse 5,485 799 090 65(16) · 10−4 [2] u
9,109 383 7015(28) · 10−31 [3] kg
Ruheenergie 0,510 998 950 00(15)[4] MeV
Compton-Wellenlänge 2,426 310 238 67(73) · 10−12 [5] m
magnetisches Moment −9,284 764 7043(28) · 10−24 [6] J / T
g-Faktor −2,002 319 304 362 56(35)[7]
gyromagnetisches
Verhältnis 		1,760 859 630 23(53) · 1011[8] 1/(sT)
Spin 1/2
mittlere Lebensdauer stabil
Wechselwirkungen schwach
elektromagnetisch
Gravitation

Das Elektron e- (von griech. ήλεκτρον elektron „hellgold, nach der Farbe des Bernsteins“) ist ein elektrisch einfach negativ geladenes und darum auch massebehaftetes (me ≈ 9,109 383 56(11) · 10−31 kg ≈ 5,5 · 10−4 u)[9] Elementarteilchen, das nach dem Standardmodell der Teilchenphysik zu den Leptonen gezählt wird. Als echtes Elementarteilchen zeigt es keine innere Struktur. Daher wird ein einzelnes freies Elektron idealerweise als ausdehnungsloser Punkt vorgestellt. Sein zugehöriges Antiteilchen ist das positiv geladene Positron e+.

Technisch etwa mittels einer Kathodenstrahlröhre erzeugte Elektronenstahlen wurden früher auch als Kathodenstrahlen bezeichnet. 1887 konnte Joseph John Thomson (1856-1940) zeigen, dass Kathodenstrahlen aus negativ elektrisch geladenen Teilchen (eng. particle) bestehen. Die Bezeichnung „Elektron“ wurde 1894 von dem irischen Physiker George Johnstone Stoney (1826-1911) vorgeschlagen[10], nachdem er schon 1874 mit den Atomen in Zusammenhang stehende elektrische Ladungsträger mit einheitlich großer Ladung postuliert hatte.

Elektronen sind maßgeblich am Aufbau der Materie beteiligt. Sie umgeben als Elektronenhülle den positiv geladenen Atomkern. Die Hülle gliedert sich in einzelne Schalen bzw. Orbitale. Als Teilchen mit halbzahligen Spin sind die Elektronen nach den Gesetzen der Quantentheorie Fermionen und unterliegen deshalb dem Pauli-Prinzip, nach dem die Elektronen der Hülle nicht in allen Quantenzahlen übereinstimmen dürfen. Sie können sich daher nicht im untersten, energieärmsten Atomorbital zusammendrängen, sondern müssen sich auch auf höhere, ausgedehntere und energiereichere Orbitale verteilen und bedingen dadurch die relativ große räumliche Ausdehnung der Elektronenhülle, die den Atomkern um das 10.000- bis 150.000-fache übertrifft.

Die Elektronen der äußersten Schale, der sogenannten Valenzschale, bestimmen die chemische Eigenschaften eines Atoms und seine Stellung im Periodensystem der chemischen Elemente.

  • Schematische Darstellung des Atoms mit Kern und Elektronenhülle (nicht maßstäblich, sonst wäre der untere Pfeil ca. 50 m lang).

    Schematische Darstellung des Atoms mit Kern und Elektronenhülle (nicht maßstäblich, sonst wäre der untere Pfeil ca. 50 m lang).

  • Eine Schattenkreuzröhre in Betrieb: Auf der linken Seite ist in der durch die Kathodenstrahlen erzeugten Leuchterscheinung der Schatten der kreuzförmigen Anode zu sehen.

    Eine Schattenkreuzröhre in Betrieb: Auf der linken Seite ist in der durch die Kathodenstrahlen erzeugten Leuchterscheinung der Schatten der kreuzförmigen Anode zu sehen.

Zu vielen weiteren Themen siehe auch

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. ↑ CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 20. Mai 2019. Elementarladung in C (exakt).
  2. ↑ CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 20. Mai 2019. Elektronenmasse in u. Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes, diese Unsicherheit ist als geschätzte Standardabweichung des angegebenen Zahlenwertes vom tatsächlichen Wert angegeben.
  3. ↑ CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 20. Mai 2019. Elektronenmasse in kg. Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes, diese Unsicherheit ist als geschätzte Standardabweichung des angegebenen Zahlenwertes vom tatsächlichen Wert angegeben.
  4. ↑ CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 20. Mai 2019. Elektronenmasse in MeV/c2. Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes, diese Unsicherheit ist als geschätzte Standardabweichung des angegebenen Zahlenwertes vom tatsächlichen Wert angegeben.
  5. ↑ CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 20. Mai 2019. Compton-Wellenlänge. Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes, diese Unsicherheit ist als geschätzte Standardabweichung des angegebenen Zahlenwertes vom tatsächlichen Wert angegeben.
  6. ↑ CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 3. August 2019. Magnetisches Moment. Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes, diese Unsicherheit ist als geschätzte Standardabweichung des angegebenen Zahlenwertes vom tatsächlichen Wert angegeben.
  7. ↑ CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 20. Mai 2019. g-Faktor. Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes, diese Unsicherheit ist als geschätzte Standardabweichung des angegebenen Zahlenwertes vom tatsächlichen Wert angegeben.
  8. ↑ CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 20. Mai 2019. Gyromagnetisches Verhältnis. Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes, diese Unsicherheit ist als geschätzte Standardabweichung des angegebenen Zahlenwertes vom tatsächlichen Wert angegeben.
  9. ↑ CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 3. Februar 2019.
  10. ↑ G. Johnstone Stoney: Of the 'Electron' or Atom of Electricity. In: Philosophical Magazine. 38, Nr. 233, October 1894, S. 418–420. doi:10.1080/14786449408620653.
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