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Elektron



Dieser Artikel befasst sich mit dem Elementarteilchen Elektron, andere Bedeutungen unter Elektron (Begriffsklärung)
Elektronen sind winzige, negativ geladene Elementarteilchen. Ihr Symbol ist e-. Ihre freie Beweglichkeit in Metallen ist die Ursache für die elektrische Leitfähigkeit in metallischen Leitern. Sie bilden außerdem die Elektronenhülle der Atome und Ionen.

Elektronen gehören zu den Leptonen und Fermionen. Ihre Antiteilchen sind die Positronen, Symbol e+, mit denen sie bis auf ihre elektrische Ladung in allen Eigenschaften übereinstimmen.

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

Der Name kommt vom griechischen Wort elektron und bedeutet Bernstein, denn an ihm wurde die Elektrizität erstmals beobachtet. Reibt man Bernstein beispielsweise mit einem Katzenfell, so lädt es sich elektrisch auf.

Daten des Elektrons (nach CODATA)
Ladung -e =
-1,602 176 462(63)·10-19 C
Ruhemasse 5,485 799 110(12)·10-4 u =
9,109 381 88(72)·10-31 kg
Ruheenergie 0,510 998 902(21) MeV =
8,187 104 14(64)·10-14 J
magnetisches Moment -928,476 362(37)·10-26 J T-1
Spin 1/2
g-Faktor 2.002 319 304 3718(75)
Lebensdauer stabil

Diese Größen werden durch das magnetische Moment des Elektronenspins miteinander verknüpft:

Dabei ist das magnetische Moment des Elektronenspins, die Ruhemasse des Elektrons, seine Ladung und der Spin. heißt Landé- bzw. g-Faktor Fasst man den Term vor zusammen, so erhält man das Verhältnis aus magnetischem Moment zu Spin, bezeichnet als gyromagnetisches Verhältnis des Elektrons. Für das Elektron ist nach der Dirac-Theorie (relativistische Quantenmechanik) der theoretische Wert von exakt gleich zwei. Effekte der Quantenelektrodynamik bewirken jedoch eine (geringfügige) Abweichung des Wertes für von zwei.

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 1800.

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 ermöglicht.

Die Masse eines ruhenden Elektrons ist immer konstant. Bei bewegten Elektronen muss die Massenzunahme der Relativitätstheorie berücksichtigt werden. An Elektronen kann diese Massenzunahme gut beobachtet werden, da sie sich leicht aufgrund ihrer Ladung auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigen lassen. Die Masse kann dann durch Ablenkung in einem Magnetfeld bestimmt werden.

Die Größe eines Elektrons lässt sich durch Messung des Wirkungsquerschnitts ermitteln. Streut man Röntgenstrahlen an Elektronen, so erhält man eine Größenordnung von etwa 3·10-15 m. Dies entspricht auch dem theoretischen Wert, wenn man folgende Annahmen macht:

  1. Elektronen sind kugelförmig, sie bilden einen Kugelkondensator
  2. Die Ladung ist an der Oberfläche verteilt
  3. Die potenzielle Energie der Ladung entspricht der Ruheenergie mec².

Bei anderen Annahmen, z. B. gleichmäßige Ladungsverteilung, kommt man zu ähnlichen Werten. Die Experimente sind für eine Entscheidung nicht genau genug.

Streut man Elektronen an anderen Elektronen, so ist kein Wirkungsquerschnitt messbar. Elektronen verhalten sich dann wie Punktteilchen.

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