Elektron

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

Elektron (e⁻)
Klassifikation
Elementarteilchen Fermion Lepton
Eigenschaften
Ladung	−1 e −1,602176462 · 10⁻¹⁹ C
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

Das Elektron [ˈeːlɛktrɔn, eˈlɛk-, elɛkˈtroːn] (von agr. ἤλεκτρον élektron, „Bernstein“, an dem Elektrizität erstmals beobachtet wurde; 1891 von George Johnstone Stoney geprägt) ist ein negativ geladenes Elementarteilchen. Sein Symbol ist e^-. Die alternative Bezeichnung Negatron wird kaum verwendet und ist vor allem bei β-Spektroskopikern gebräuchlich.

In den bisher möglichen Experimenten zeigen Elektronen keine innere Struktur und können insofern als punktförmig angenommen werden. Die experimentelle Obergrenze für die Größe des Elektrons liegt derzeit bei etwa 10⁻¹⁹ m.

In Atomen und in Ionen bilden Elektronen die Elektronenhülle. Jedes der gebundenen Elektronen lässt sich dabei eindeutig durch vier Quantenzahlen (Hauptquantenzahl, Nebenquantenzahl, Magnetische Quantenzahl des Drehimpuls und Spinquantenzahl) beschreiben (siehe auch Pauli-Prinzip). Die freie Beweglichkeit einiger der Elektronen 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.

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.

Beim Betazerfall eines Atomkerns wird (unabhängig von der Atomhülle) ein Elektron erzeugt und emittiert.

[Bearbeiten] Eigenschaften

Ein Elektron ist ein „Quantenobjekt“, das heißt, 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 kann das Elektron als stehende Materiewelle betrachtet werden.

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, 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.

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. Die dadurch hervorgerufene Abweichung des magnetischen Moments wird als anomales magnetisches Moment des Elektrons bezeichnet.

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 und senkrecht zur augenblicklichen Flugrichtung abgelenkt (Lorentzkraft). Diese Eigenschaften der Elektronen haben erst die Entwicklung des Fernsehers und des Computermonitors sowie ihre Nutzung in technologischen Anwendungen (Elektronenkanone) ermöglicht.

Bei schnellen Elektronen, das sind solche, für welche die Geschwindigkeit gegenüber der Lichtgeschwindigkeit nicht mehr als klein aufgefasst werden kann, muss der nicht-lineare Beitrag zum Impuls nach der Relativitätstheorie berücksichtigt werden. An Elektronen kann dieser relativistische Impuls gut beobachtet werden, da sie sich aufgrund ihrer Ladung und geringen Masse leicht auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigen lassen. Die genaue Messung kann durch die Ablenkung in einem Magnetfeld erfolgen. Dieser Effekt wurde zuerst von Walter Kaufmann 1901 nachgewiesen und später zunächst mit dem inzwischen überholten Begriff der relativistischen Massenzunahme beschrieben.

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

Von der Ausdehnung des Elektrons zu unterscheiden ist sein Wirkungsquerschnitt für Wechselwirkungsprozesse. 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:

Das Elektron ist kugelförmig, es stellt einen Kugelkondensator dar.
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