Elektron

Einordnung und Bedeutung

Das Elektron (Symbol e⁻) ist ein negativ geladenes, stabiles Elementarteilchen. Es gehört zu den Leptonen und wegen seiner Spinquantenzahl ½ zu den Fermionen. Elektronen besitzen keine bekannte innere Struktur und werden theoretisch als punktförmig behandelt. Ihr Antiteilchen ist das positiv geladene Positron e⁺, das bis auf die elektrische Ladung dieselben Eigenschaften hat.

Elektronen sind Bestandteile der Atome. Sie sind an den Atomkern gebunden und bilden die Elektronenhülle. Die Eigenschaften und Wechselwirkungen dieser gebundenen Elektronen bilden im Wesentlichen die Grundlage der gesamten Chemie. In einem elektrisch neutralen Atom ist die Zahl der Elektronen gleich der Zahl der positiv geladenen Protonen im Kern.

In Metallen sind einige Elektronen nahezu frei beweglich und ermöglichen die hohe elektrische Leitfähigkeit. In Halbleitern lässt sich die Zahl beweglicher Elektronen und damit die Leitfähigkeit durch die Herstellung des Materials sowie durch Temperatur, elektrische Spannung oder Lichteinfall beeinflussen. Darauf beruht die Halbleiterelektronik. Beim Beta-Minus-Zerfall eines Atomkerns, der β⁻-Radioaktivität, wird ein Elektron neu erzeugt und ausgesandt.

Ladung, Masse und Stabilität

Die elektrische Ladung des Elektrons beträgt exakt −1 e beziehungsweise −1,602176634 · 10⁻¹⁹ C; e bezeichnet die Elementarladung. Das Proton trägt die genau entgegengesetzte Ladung +1 e.

Die Elektronenmasse beträgt 9,1093837139(28) · 10⁻³¹ kg beziehungsweise 5,485799090441(97) · 10⁻⁴ u. Sie entspricht ungefähr 1/1836 der Protonenmasse und 1/1839 der Neutronenmasse. Deshalb tragen Elektronen nur einen sehr kleinen Teil zur Masse eines Atoms bei. Ihre Ruheenergie beträgt 0,51099895069(16) MeV, ihre Compton-Wellenlänge 2,42631023538(76) · 10⁻¹² m.

Das Elektron ist das leichteste elektrisch geladene Elementarteilchen. Unter der durch alle physikalischen Erfahrungen bestätigten Voraussetzung, dass Ladung und Energie erhalten bleiben, muss es stabil sein. Bisher gibt es keinen experimentellen Hinweis auf einen Elektronenzerfall.

Ausdehnung, Spin und Momente

Für eine mögliche endliche Größe des Elektrons liegt die experimentelle Obergrenze bei etwa 10⁻¹⁹ m. Schon bei der reduzierten Compton-Wellenlänge ƛC = ℏ/(mₑc), die in der Größenordnung 10⁻¹² m liegt, werden Quanteneffekte wie die Vakuumpolarisation wichtig. Frühere klassische Modelle lieferten für einen angenommenen Elektronenradius Werte um 10⁻¹⁵ m. Der Wirkungsquerschnitt bei einer Wechselwirkung ist jedoch nicht mit einer tatsächlichen räumlichen Ausdehnung gleichzusetzen. Auch Atomorbitale mit Ausdehnungen um 10⁻¹⁰ m beschreiben über die Wellenfunktion nur die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons.

Als Fermion mit Spin ½ unterliegt das Elektron dem Pauli-Prinzip. Durch die Verbindung von Spin und elektrischer Ladung besitzt es das magnetische Moment μ⃗s = −gs · e/(2mₑ) · s⃗. Dabei bezeichnet gs den Landé- oder g-Faktor; das Verhältnis von magnetischem Moment zu Spin heißt gyromagnetisches Verhältnis. Die Dirac-Theorie sagt gs = 2 voraus. Effekte der Quantenelektrodynamik erzeugen eine kleine messbare Abweichung, das anomale magnetische Moment. Gemessen werden ein g-Faktor von −2,00231930436092(18), ein magnetisches Moment von −9,2847646917(29) · 10⁻²⁴ J/T beziehungsweise −1,00115965218046(18) μB und ein gyromagnetisches Verhältnis von 1,76085962784(55) · 10¹¹ (rad/s)/T.

Ein elektrisches Dipolmoment wurde bisher nicht nachgewiesen. Messungen in starken intramolekularen Feldern begrenzen einen möglichen Wert auf höchstens e · 4,1 · 10⁻³² m. Anschaulich können Ladungs- und Massenmittelpunkt daher nicht weiter als einige 10⁻³² m auseinanderliegen.

Wechselwirkungen und freie Elektronen

Elektronen nehmen an der elektromagnetischen und der schwachen Wechselwirkung sowie an der Gravitation teil. Viele Erscheinungen der Elektrizität, des Elektromagnetismus und der elektromagnetischen Strahlung beruhen wesentlich auf ihrem Verhalten. Ein veränderliches Magnetfeld verschiebt Elektronen in einem Leiter und induziert eine elektrische Spannung. Umgekehrt erzeugen Elektronen in einem stromdurchflossenen Leiter ein Magnetfeld. Beschleunigte Elektronen senden Photonen als Bremsstrahlung aus; dazu gehören auch Synchrotronstrahlung und die Strahlung eines Freie-Elektronen-Lasers.

In Festkörpern wechselwirken Elektronen mit dem Kristallgitter. Ihr Verhalten kann dort durch eine effektive Masse beschrieben werden, die von der Bewegungsrichtung abhängen und sogar negativ sein kann. Von ihren Atomen gelöste Elektronen in polaren Lösungsmitteln wie Wasser oder Alkohol heißen solvatisierte Elektronen. Bei der Lösung von Alkalimetallen in Ammoniak verursachen sie eine starke Blaufärbung.

Als Quantenobjekte zeigen Elektronen sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften; dies heißt Welle-Teilchen-Dualismus. Orts- und Impulsunschärfe gemäß der Heisenbergschen Unschärferelation liegen bei ihnen im messbaren Bereich. Im Atom kann ein Elektron als stehende Materiewelle betrachtet werden.

Durch starke Erhitzung oder ein starkes elektrisches Feld können Elektronen ein Material verlassen; die Vorgänge heißen Glühemission und Feldemission. Im Vakuum lassen sich freie Elektronen beschleunigen, fokussieren und zu einem Elektronenstrahl formen. In einer Kathodenstrahlröhre treten sie aus einer beheizten Glühkathode aus und werden durch ein elektrisches Feld zur positiven Anode beschleunigt. Magnetfelder lenken sie aufgrund der Lorentzkraft senkrecht zur Feldrichtung und zur augenblicklichen Flugrichtung ab. Anwendungen sind Bildröhren für Oszilloskope, Fernseher und Computermonitore, außerdem Röntgenröhren, Elektronenmikroskope, Elektronenstrahlschweißen, Teilchenbeschleuniger und die Erzeugung von Synchrotronstrahlung.

Nachweis und Messverfahren

Emil Wiechert wies 1897 nach, dass Kathodenstrahlung aus negativ geladenen Teilchen besteht, die wesentlich leichter als Atome sind. Im selben Jahr bestimmte Joseph John Thomson ihre Masse genauer und zeigte, dass unabhängig vom Kathodenmaterial und vom Restgas immer dieselbe Teilchenart auftritt. Untersuchungen des Zeeman-Effekts belegten zudem, dass diese Teilchen in Atomen vorkommen und dort an der Lichtemission beteiligt sind. Damit war das Elektron als Elementarteilchen identifiziert. Robert Millikan maß die Elementarladung 1909 erstmals direkt.

Im Schulversuch lässt sich das Verhältnis e/m von Elektronenladung zu Elektronenmasse mit einem Fadenstrahlrohr bestimmen. Der Millikan-Versuch ermöglicht die direkte Bestimmung der Elementarladung.

Bei Geschwindigkeiten, die gegenüber der Lichtgeschwindigkeit nicht vernachlässigbar sind, muss der relativistische, nichtlineare Beitrag zum Impuls berücksichtigt werden. Aufgrund ihrer kleinen Masse lassen sich Elektronen leicht auf solche Geschwindigkeiten beschleunigen: Bei einer kinetischen Energie von 80 keV erreicht ein Elektron bereits die halbe Lichtgeschwindigkeit. Sein Impuls kann über die Ablenkung in einem Magnetfeld bestimmt werden. Walter Kaufmann wies 1901 erstmals die Abweichung vom klassisch berechneten Impuls nach. Die frühere Beschreibung als „relativistische Massenzunahme“ gilt heute als überholt.