Elektron

Dieser Artikel befasst sich mit dem Elementarteilchen Elektron, weitere Bedeutungen unter Elektron (Begriffsklärung).

Elektron (e^-)
Klassifikation
Elementarteilchen Fermion Lepton
Eigenschaften
Ladung	−1 e
Ruhemasse	5,485 799 110(12) · 10⁻⁴ u 9,109 381 88(72) · 10⁻³¹ kg 1 · m_e
Ruheenergie	0,510 998 902(21) MeV 8,187 104 14(64) · 10⁻¹⁴ J
Compton-Wellenlänge	2,4263 · 10⁻¹² m
magnetisches Moment	−928,476 362(37) · 10⁻²⁶ J T⁻¹
g-Faktor	2,002 319 304 3718(75)
Spin	½
mittlere Lebensdauer	(stabil) experimentell: > 10²⁴ a
Wechselwirkung	schwach elektromagnetisch Gravitation

Elektronen sind negativ geladene Elementarteilchen. Ihr Symbol ist e⁻.

Nach den bisher erreichten Auflösungen besitzen Elektronen keine innere Struktur und können als punktförmig angenommen werden. Die experimentelle Obergrenze für die Größe des Elektrons liegt derzeit bei etwa 10⁻¹⁹ m.

Elektronen bilden die Elektronenhülle der Atome (und Ionen). Ein solches Elektron lässt sich eindeutig durch vier Quantenzahlen (n, l, m und s) beschreiben. Ihre freie Beweglichkeit in Metallen ist die Ursache für die elektrische Leitfähigkeit von metallischen Leitern.

Der experimentelle Nachweis von Elektronen gelang erstmals im Jahre 1897 durch den Briten Joseph John Thomson.

Der Name kommt vom griechischen Wort elektron (ηλεκτρόν) und bedeutet Bernstein, denn an ihm wurde die Elektrizität erstmals beobachtet. Reibt man Bernstein beispielsweise mit einem Katzenfell, so lädt es sich elektrisch auf. Die Bezeichnung Elektron für die Ladungseinheit führte George Johnstone Stoney ein (Philosophical Magazine 40 (1895), 372).

Eigenschaften

Ein Elektron ist ein „Quantenobjekt“, d. h., bei ihm liegt die durch die Heisenbergsche Unschärferelation beschriebene Orts- und Impulsunschärfe im messbaren Bereich, so dass, ähnlich wie beim Licht, sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften beobachtet werden können. In einem Atom wird das Elektron meist als stehende Materiewelle betrachtet.

Das Elektron ist das leichteste elektrisch geladene Elementarteilchen. Wegen Ladungserhaltung und Energieerhaltung müssen Elektronen daher stabil sein. In der Tat gibt es bisher keinerlei experimentellen Hinweis auf einen Elektronenzerfall; die Lebensdauer des Elektrons muss nach den experimentellen Daten größer als 10²⁴ Jahre sein.

Elektronen gehören zu den Leptonen und haben, wie alle Leptonen, einen Spin von ½. 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.

Elektronen können in polaren Lösungsmitteln wie Wasser oder Alkoholen in Lösung gehen, dann werden sie als solvatisierte Elektronen bezeichnet. Bei Lösung von Alkalimetallen in Ammoniak sind sie für die starke Blaufärbung verantwortlich.

Einige der Grundeigenschaften des Elektrons, die in der Tabelle rechts aufgelistet sind, werden durch das magnetische Moment des Elektronenspins miteinander verknüpft: $\vec{\mu_{\rm s}} = -g_{\rm s}\frac{e}{2m_{\rm e}}\vec{s}$ . Dabei ist $\vec{\mu_{\rm s}}$ das magnetische Moment des Elektronenspins, $m e$ die Ruhemasse des Elektrons, $e$ seine Ladung und $\vec{s}$ der Spin. $g s$ heißt Landé- oder g-Faktor. Der Term vor $\vec s$ , 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 $g s$ exakt gleich 2. Effekte der Quantenelektrodynamik bewirken jedoch eine (geringfügige) Abweichung des Wertes für $g s$ von 2.

Elektronen bilden mit Protonen und Neutronen die Atome. Während die beiden letztgenannten Teilchen den Kern bilden, befinden sich die Elektronen in der Atomhülle. Elektronen sind sehr viel leichter als Protonen und Neutronen, etwa um den Faktor 1836.

In der Kathodenstrahlröhre bzw. Braunschen 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 abgelenkt. Diese Eigenschaften der Elektronen haben erst die Entwicklung des Fernsehers und des Computermonitors sowie ihre Nutzung in technologischen Anwendungen (Elektronenkanone) ermöglicht.

Die Masse eines ruhenden Elektrons ist immer konstant. Bei bewegten Elektronen (und ein Elektron ist unter normalen Bedingungen immer in Bewegung) muss die Massenzunahme der Relativitätstheorie berücksichtigt werden. An Elektronen kann diese Massenzunahme gut beobachtet werden, da sie sich leicht aufgrund ihrer Ladung und geringen Masse auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigen lassen. Die Masse kann dann durch Ablenkung in einem Magnetfeld bestimmt werden. Die Zunahme der Masse eines Elektrons wurde zuerst von Walter Kaufmann 1901 nachgewiesen.

In einem Festkörper erfährt das Elektron Wechselwirkungen mit dem Kristallgitter, wodurch sich seine Masse zur abweichenden effektiven Masse ändert, die auch noch abhängig von der Bewegungsrichtung des Elektrons ist.

Nach den theoretischen Darstellungen der Quantenelektrodynamik wird das Elektron als Punktteilchen ohne endliche Ausdehnung angenommen. In guter Übereinstimmung damit ergaben Elektron-Elektron-Streuexperimente an Teilchenbeschleunigern eine maximale Elektronengröße von 10⁻¹⁹ m.

Von der Größe zu unterscheiden ist der Wirkungsquerschnitt. Bei der Streuung von Röntgenstrahlen an Elektronen erhält man einen Wirkungsquerschnitt, der einem effektiven Elektronenradius von etwa 3 · 10⁻¹⁵ m entspräche. Dieselbe Größenordnung ergäbe sich bei einer klassischen (nicht quantentheoretischen) Beschreibung des Elektrons unter den Annahmen:

Elektronen sind kugelförmig, sie bilden einen Kugelkondensator
Die Ladung ist gleichmäßig an der Oberfläche verteilt
Die potentielle Energie der Ladung entspricht der Ruheenergie $m e c 2$ .

Der totale Streuquerschnitt von Photonen an Elektronen beträgt im Grenzfall kleiner Photonenenergien 8/3 $π$ $r e$ ², wobei $r e$ der klassische Elektronenradius ist (siehe Thomson-Streuung und Compton-Streuung).

Siehe auch: Stern-Gerlach-Versuch