Physik · Klasse 7–13 · aktualisiert
Elektron: Ladung, Atomhülle und Quantenverhalten
Was Elektronen im Atom und in Metallen tun und warum Orbitale keine festen Bahnen sind.
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Kurz gesagt
Ein Elektron ist ein negativ geladenes Elementarteilchen mit der Ladung -e. Es gehört zur Atomhülle und kann in Metallen Ladung transportieren. Im Atom beschreibt ein Orbital seine Aufenthaltswahrscheinlichkeit, keine feste Bahn.
Ein Elektron ist ein stabiles, negativ geladenes Elementarteilchen. Elektronen bilden die Atomhülle, bestimmen wesentlich das chemische Verhalten von Atomen und transportieren in Metallen elektrische Ladung. Als Quantenobjekte lassen sie sich jedoch nicht wie winzige Kugeln auf festen Bahnen beschreiben.
Deine Lernziele
Hake ab, was du schon kannst. Löst du alle Aufgaben eines Abschnitts, hakt Mela das Ziel für dich ab.
4 Abschnitte
Das Symbol des Elektrons ist e^-. Das Minuszeichen zeigt seine negative elektrische Ladung. Für den Betrag gilt näherungsweise e\approx1{,}602\cdot10^{-19}\,\mathrm{C}. Die Masse eines Elektrons beträgt ungefähr m_\mathrm e\approx9{,}109\cdot10^{-31}\,\mathrm{kg}. Sie entspricht nur etwa 1/1836 der Protonenmasse. Deshalb stammt fast die gesamte Masse eines Atoms aus seinem Kern. Das Elektron ist nach heutigem Wissen elementar: Es sind keine kleineren Bestandteile bekannt. Sein Antiteilchen, das Positron e^+, hat die gleiche Masse, aber positive Ladung.
Definition
Elementarladung
Die Elementarladung e ist der positive Betrag der kleinsten frei vorkommenden Ladungsmenge. Ein Elektron trägt die Ladung -e, ein Proton die Ladung +e.
Teste dich
Protonen befinden sich im Atomkern und tragen jeweils +e. Elektronen gehören zur Atomhülle und tragen jeweils -e. Neutronen sind elektrisch neutral. In einem neutralen Atom sind Protonen- und Elektronenzahl gleich. Die gleich großen positiven und negativen Ladungen gleichen sich aus.
Stimmen Protonen- und Elektronenzahl nicht überein, liegt ein Ion vor: Mehr Elektronen als Protonen bedeuten Elektronenüberschuss und eine negative Gesamtladung. Weniger Elektronen als Protonen bedeuten Elektronenmangel und eine positive Gesamtladung. Bei gewöhnlicher elektrischer Aufladung werden Elektronen übertragen. Die Protonen bleiben normalerweise fest in den Atomkernen gebunden.
Elektrischer Strom setzt bewegliche Ladungsträger voraus. In Metallen sind einige äußere Elektronen nicht fest an ein einzelnes Atom gebunden. Sie können sich durch das Material bewegen und dabei Ladung transportieren. In einem Isolator sind die Elektronen dagegen stärker gebunden. Sie können sich unter normalen Bedingungen nicht frei durch das Material bewegen. Bei Halbleitern hängt die Zahl der beweglichen Elektronen unter anderem von Material und Temperatur ab. Ein bewegtes Elektron erzeugt außerdem ein Magnetfeld. Äußere elektrische und magnetische Felder können die Bewegung freier Elektronen beeinflussen.
Beispiel: Ein Kohlenstoffatom besitzt sechs Protonen und sechs Elektronen.
- 1Protonenladung: 6\cdot(+e)=+6e
- 2Elektronenladung: 6\cdot(-e)=-6e
- 3Gesamtladung: +6e-6e=0
- 4Das Kohlenstoffatom ist daher elektrisch neutral.
Merke: Mehr Elektronen machen einen Körper negativer, weniger Elektronen machen ihn positiver. Die Protonenzahl ändert sich bei gewöhnlicher Aufladung nicht.
Beispiel: Vergleiche einen Metalldraht mit einem Isolierstoff:
- 1Im Metalldraht gibt es bewegliche Elektronen.
- 2Ein angelegtes elektrisches Feld beeinflusst ihre Bewegung.
- 3Dadurch wird elektrische Ladung durch den Draht transportiert.
- 4Im Isolierstoff fehlen unter denselben Bedingungen ausreichend frei bewegliche Ladungsträger, sodass er wesentlich schlechter leitet.
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Ein Elektron zeigt sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften. Es kann bei einer Messung an einem bestimmten Ort nachgewiesen werden, zugleich aber Beugung und Interferenz zeigen. In einem Atom beschreibt ein Orbital die räumliche Verteilung der Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons. Ein Orbital ist keine feste Kreisbahn und auch keine ausgedehnte Oberfläche des Elektrons. Die bildhafte „Elektronenwolke“ stellt daher eine Wahrscheinlichkeitsverteilung dar. Sie zeigt nicht, dass das Elektron selbst zu einer nebelartigen Kugel aufgebläht wäre.
Definition
Orbital
Ein Orbital ist ein quantenmechanisch beschriebener Zustand eines Elektrons im Atom. Es gibt an, mit welcher Wahrscheinlichkeit das Elektron in verschiedenen Raumbereichen nachgewiesen werden kann.
Beispiel: Ein Orbital richtig lesen
- 1Bei einem gebundenen Elektron zeigt ein Orbital die Verteilung möglicher Nachweisorte.
- 2Wiederholte, gleich präparierte Messungen ergeben Treffer an verschiedenen Orten.
- 3Die Trefferhäufigkeit beschreibt den Zustand; sie zeichnet weder eine feste Kreisbahn noch eine Elektronenoberfläche.
Teste dich
In heutigen Modellen wird das Elektron als punktförmig behandelt. Bisher wurde keine innere Struktur nachgewiesen. Je nach Versuch und Modell liegt eine obere Grenze für seine mögliche Ausdehnung in der Größenordnung 10^{-19}\,\mathrm m. Das ist keine gemessene Größe des Elektrons.
Der klassische Elektronenradius von ungefähr 2{,}818\cdot10^{-15}\,\mathrm m stammt aus einer Modellrechnung: Man vergleicht darin elektrische Energie mit der Energie der Elektronenmasse. Er ist keine gemessene Oberfläche. Auch ein Orbital beschreibt nicht die Größe des Elektrons, sondern mögliche Nachweisorte im Atom. Solche Verteilungen können ungefähr 10^{-10}\,\mathrm m breit sein.
Der Spin ist eine weitere Eigenschaft des Elektrons. Er bedeutet keine Drehung einer kleinen Kugel. Elektronen gehören zu den Teilchen, die Physiker Leptonen nennen; ihr Spin hat den Wert 1/2. Nach dem Pauli-Prinzip können höchstens zwei Elektronen dasselbe Orbital besetzen, wenn ihre Spinzustände verschieden sind.
Merke: Drei Angaben erfüllen verschiedene Zwecke: Eine experimentelle Obergrenze beschränkt eine mögliche Teilchengröße, der klassische Elektronenradius stammt aus einem Modell und ein Orbital beschreibt mögliche Aufenthaltsorte.
Teste dich
Alles auf einen Blick
Elektron
Eigenschaften
Ladung -e, sehr kleine Masse
Atom
Bestandteil der Hülle und entscheidend für den Ladungszustand
Materie
bewegliche Elektronen können Ladung transportieren
Quantenverhalten
einzelne Nachweise sowie Beugung und Interferenz
Orbital
Verteilung möglicher Nachweisorte im Atom
Größenmodelle
Obergrenze, klassischer Radius und Orbitalausdehnung unterscheiden
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Ladungsbilanz eines Ions
- 1Ein Teilchen besitzt acht Protonen und zehn Elektronen. Jedes Proton trägt +e, jedes Elektron -e.
- 2Positive Ladung: 8\cdot(+e)=+8e. Negative Ladung: 10\cdot(-e)=-10e.
- 3Gesamtladung: +8e-10e=-2e. Zwei überschüssige Elektronen machen das Teilchen zweifach negativ.
Fehler finden
Was zeigt die Elektronenwolke? In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 3Die dritte Zeile verwechselt Aufenthaltsverteilung und Teilchenoberfläche. Richtig: Die Wolke beschreibt mögliche Nachweisorte, keine gemessene Oberfläche des Elektrons.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
Ein Elektron trägt . In einem neutralen Atom ist die Zahl der Elektronen der Protonenzahl. Eine Elektronenwolke beschreibt .
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback