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Elektron

 

[auch e'lɛktrɔn, elɛk'troːn; griechisch e̅́lektron »Bernstein«, »mit Silber gemischtes Gold«] das, -s/...'ronen, Atom- und Elementarteilchenphysik: physikalisches Symbol e, e^- oder ⊖; leichtes, negativ geladenes, stabiles Elementarteilchen; wichtigster Vertreter der Leptonen, neben dem Proton und dem Neutron einer der Bausteine der Atome und damit der Materie; auch Sammelbegriff für das (dann auch als Negatron bezeichnete) Elektron und sein Antiteilchen, das positiv geladene Positron (e⁺). Das Elektron hat die Ruhmasse m_e = 9,109 389 7 · 10^-28 g (das ist ¹/₁₈₃₇ der Masse des Wasserstoffatoms und entspricht einer relativen »Atommasse« 0,000 544 3; das zugehörige Energieäquivalent m_ec² beträgt 0,511 MeV; c = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum) und ist Träger einer negativen Elementarladung; seine elektrische Ladung ist also dem Betrage nach e = 1,602 177 33 · 10^-19 C; seine spezifische Ladung beträgt e / m_e = 1,759 · 10⁸ C/g. Das Elektron besitzt einen Spin vom Betrag ½ h̶ (h̶ = h / 2 π; h = plancksches Wirkungsquantum), sein im Wesentlichen vom Spin verursachtes magnetisches Moment beträgt μ_e = 9,284 8 · 10^-24 J/T = 1,001 16 μ_B (μ_B = bohrsches Magneton). Wegen der Halbzahligkeit seines Spins (in Einheiten h̶) ist das Elektron ein Fermion; für Elektrongesamtheiten gilt daher die Fermi-Dirac-Statistik.

 

Da das Elektron der Träger der kleinstmöglichen negativen Elektrizitätsmenge ist, die im Gegensatz zu den Quarks experimentell zugänglich ist, stellt es das »Atom« der negativen Elektrizität dar; eine bestimmte räumliche Ausdehnung kann man ihm nicht zuschreiben, da sein elektrisches Feld auch in kleinsten Abständen (bis zu 10^-17 m) keine Abweichung vom coulombschen Gesetz zeigt, die auf eine bestimmte, irgendwie geartete räumliche Ladungsverteilung hindeuten würde. Bei der Streuung von Licht oder beim Compton-Effekt verhält sich aber das Elektron so, als hätte es eine durch den klassischen Elektronenradius bestimmte Ausdehnung.

 

Das Elektron zeigt wie alle Teilchen der Mikrophysik den Welle-Teilchen-Dualismus. Im makroskopischen Bereich und bei bestimmten mikroskopischen Erscheinungen, für die das Teilchenbild des Elektrons zutreffend ist, z. B. in Elektronenröhren und Betatrons, kann das Elektron meist als geladener Massenpunkt angesehen werden, der sich in elektromagnetischen Feldern nach den Gesetzen der klassischen Physik bewegt. Spin und magnetischer Moment einzelner Elektronen machen sich u. a. bei den gyromagnetischen Effekten und beim Stern-Gerlach-Versuch bemerkbar, sie spielen eine grundsätzliche Rolle beim Aufbau der Atome, bei der Erklärung des Magnetismus und bei der Wechselwirkung der Atomelektronen mit elektromagnetischer Strahlung, besonders bei gleichzeitiger Einwirkung eines magnetischen Feldes (Zeeman-Effekt). Das Teilchenbild versagt jedoch bei der Deutung der 1927 von C. J. Davisson und L. H. Germer durchgeführten Elektronenstreuexperimente an Kristalloberflächen (Davisson-Germer-Versuch). Die dabei auftretenden Beugungs- und Interferenzerscheinungen sowie das Verhalten des Elektrons in atomaren Bereichen lässt sich nur mit dem 1924 von L.-V. de Broglie vorgeschlagenen Wellenbild des Elektrons verstehen: Den sich mit einer Geschwindigkeit v bewegenden Elektronen eines Elektronenstrahls ist eine Materiewelle zuzuordnen, deren Wellenlänge nach der De-Broglie-Beziehung λ = h / (m_ev) ist. Beim Durchgang eines solchen Elektronenstrahls durch Kristallgitter oder bei seiner Streuung durch Objekte, deren Abmessungen von der Größenordnung der Wellenlänge sind, treten Interferenz- und Beugungserscheinungen auf (Elektronenbeugung); dies zeigt, dass in atomaren Bereichen dem Elektron keine Bahnkurve im klassischen Sinn zuordenbar ist.

 

Die adäquate Beschreibung des Verhaltens der Elektronen in atomaren und subatomaren Systemen erfolgt durch die Quantenmechanik mithilfe quantenmechanischer Wellenfunktionen Ψ, die die Wahrscheinlichkeit für das Antreffen eines Elektrons an einem bestimmten Ort oder in einem bestimmten Energiezustand angeben. Diese Funktionen sind in nichtrelativistischen Problemen (Geschwindigkeit der Elektronen klein gegen die Lichtgeschwindigkeit) Lösungen der Schrödinger-Gleichung beziehungsweise bei Berücksichtigung des Spins der Pauli-Gleichung. Sind relativistische Effekte zu berücksichtigen, so hat man die Dirac-Gleichung zu lösen, die zugleich das Positron und die Auswirkung von Spin und magnetischer Moment korrekt erfasst. Auf diese Weise erhält man genaue Aussagen über den Aufbau der Atom- oder Elektronenhülle eines Atoms, über die Entstehung der Atom- und Bandenspektren, über das Zustandekommen der chemischen Bindung der Atome zu Molekülen und kristallinen Festkörpern durch »Verformung« und »Überlappung« der Elektronenhüllen der Atome, über das Verhalten von Elektronen in Festkörpern und die dadurch bestimmten Festkörpereigenschaften (Bändermodell, Bandstruktur, Elektronengastheorie) sowie auch eine experimentell nachprüfbare Erklärung sämtlicher Beugungserscheinungen von Elektronenstrahlen oder -wellen. Dagegen lässt sich die Wechselwirkung der Elektronen mit elektromagnetischen Strahlungsfeldern (beziehungsweise Photonen als den Feldquanten dieser Felder) in allen Einzelheiten (z. B. Compton-Effekt, Paarerzeugung und -vernichtung von Elektron-Positron-Paaren) nur mithilfe der Quantenelektrodynamik in befriedigender Weise beschreiben. Aber auch sie kann die fundamentalen Eigenschaften des Elektrons wie Masse, Ladung, Spin, Leptonenzahl nicht erklären. Es ist bisher noch nicht gelungen, eine Elementarteilchentheorie aufzustellen, aus der diese Eigenschaften folgen.

 

Geschichte:

 

Nachdem J. Plücker 1859 die Kathodenstrahlen entdeckt und J. W. Hittorf 1869 ihre magnetische Ablenkbarkeit aufgezeigt hatte, vermutete C. F. Varley 1871, dass die Kathodenstrahlen aus negativ geladenen Teilchen bestehen, die von negativen Ionen verschieden sind. Zahlreiche Forscher (u. a. A. Schuster, J. J. Thomson und E. Wiechert) bemühten sich um die Bestimmung von Ladung und Masse der vermuteten Kathodenstrahlteilchen. J. Perrin gelang es 1895 eindeutig, ihre negative Ladung nachzuweisen. Die ab 1894 von Thomson durchgeführten Ablenkversuche in elektrischen und magnetischen Feldern zeigten, dass die spezifische Ladung der Kathodenstrahlteilchen, für die G. J. Stoney um 1892 die Bezeichnung Elektronen geprägt hatte, etwa 100-mal kleiner ist als die von Wasserstoffionen. Aus seinen Ergebnissen und den Versuchen von P. Lenard über das Durchdringungsvermögen von Kathodenstrahlen durch Materie zog Thomson 1897 den Schluss, dass die Kathodenstrahlen aus im Vergleich zu Atomen sehr kleinen geladenen Teilchen bestehen, die fundamentaler Bestandteil der Materie seien. Nachdem seine 1897-99 durchgeführten Messungen der spezifischen Ladung von photo- und glühelektrisch ausgelösten Elektronen übereinstimmende Werte lieferten und Messungen des Zeeman-Effektes 1897 ein Teilchen mit gleicher spezifischer Ladung als Bestandteil des Atoms ergaben, war 1899 die Existenz des Elektrons sichergestellt. Nach Versuchen von J. S. E. Townsend (1897), H. A. Wilson (1903) und Perrin (1908-10) gelangen 1909-13 R. A. Millikan mit einer von F. Ehrenhaft (* 1879, ✝ 1952) vorgeschlagenen Methode (Millikan-Versuch) sehr genaue Messungen der Ladung des Elektrons und damit der Elementarladung.

 

Literatur:

 

M. E. Rose: Relativist. Elektronentheorie, 2 Bde. (a. d. Engl., 1971);

 O. Klemperer: Electron physics (London ²1972);

 R. Rost: Anatomie des E. (1972);

 W. Rath: Freie E. u. Ionen (1975).

 

Hier finden Sie in Überblicksartikeln weiterführende Informationen:

 

Materie: Die atomare Struktur