imported>Wassermaus: /* Räumliche Ausdehnung */ zwei Absätze ohne weitere Änderung vertauscht (erst Physik dann Chemie)

2025-05-02T06:35:48Z

Räumliche Ausdehnung: zwei Absätze ohne weitere Änderung vertauscht (erst Physik dann Chemie)

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{{Dieser Artikel|befasst sich mit dem Elementarteilchen. Weitere Bedeutungen unter [[Elektron (Begriffsklärung)]].}}

{{Infobox Teilchen
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|klassifikation = [[Elementarteilchen]] [[Fermion]] [[Lepton]]
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Das '''Elektron''' (''[[Internationales Phonetisches Alphabet|IPA]]:'' [{{IPA|ˈeːlɛktrɔn}}]<ref name="Kleiner-et-al" />, {{Audio|De-Elektron.ogg| }}; von {{grcS|ἤλεκτρον|élektron}} „[[Bernstein]]“) ist ein [[Elektrische Ladung|negativ geladenes]] stabiles [[Elementarteilchen]]. Sein Symbol ist e−.

Elektronen sind Bestandteile von [[Atom]]en und damit von jeder Art gewöhnlicher Materie. Sie sind an den [[Atomkern]] gebunden und bilden die [[Elektronenhülle]] des Atoms. Die gesamte [[Chemie]] beruht im Wesentlichen auf den Eigenschaften und Wechselwirkungen dieser gebundenen Elektronen.

In [[Metalle]]n ist ein Teil der Elektronen nahezu frei beweglich und bewirkt die hohe [[elektrische Leitfähigkeit]] metallischer [[Leiter (Physik)|Leiter]]. Dies ist die Grundlage der [[Elektrotechnik]] und der [[Elektronik]]. In [[Halbleiter]]n ist die Zahl der beweglichen Elektronen und damit die elektrische Leitfähigkeit leicht zu beeinflussen, sowohl durch die Herstellung des Materials als auch später durch äußere Einflüsse wie Temperatur, [[elektrische Spannung]], Lichteinfall etc. Dies ist die Grundlage der [[Halbleiterelektronik]].

Aus jedem Material können bei starker Erhitzung oder durch Anlegen eines starken elektrischen Feldes Elektronen austreten ([[Glühemission]], [[Feldemission]]). Als ''freie Elektronen'' können sie dann im [[Vakuum]] durch weitere Beschleunigung und Fokussierung zu einem [[Elektronenstrahl]] geformt werden. Dies hat die Entwicklung der [[Kathodenstrahlröhre|Bildröhre]] (CRT) für [[Oszilloskop]]e, [[Fernseher]] und [[Computermonitor]]e ermöglicht. Weitere Anwendungen freier Elektronen sind z. B. die [[Röntgenröhre]], das [[Elektronenmikroskop]], das [[Schweißen#Elektronenstrahlschweißen|Elektronenstrahlschweißen]], physikalische Grundlagenforschung mittels [[Teilchenbeschleuniger]]n und die Erzeugung von [[Synchrotronstrahlung]] für Forschung und Technik.

In der β−-[[Radioaktivität]] wird beim [[Beta-Minus-Zerfall]] eines [[Atomkern]]s ein Elektron neu erzeugt und ausgesandt.

Der experimentelle Nachweis des Elektrons gelang erstmals [[Emil Wiechert]]<ref>{{Literatur |Autor=H. Rechenberg |Titel=The electron in physics – selection from a chronology of the last 100 years |Sammelwerk=European Journal of Physics |Band=18.3 |Datum=1997 |Seiten=145}}</ref> im Jahre 1897 und wenig später [[Joseph John Thomson]].<ref name="thomson">{{Literatur |Autor=J.J. Thomson |Titel=Cathode Rays |Sammelwerk=Philosophical Magazine |Band=44 |Datum=1897 |Seiten=293 |Kommentar=J. J. Thomson (1856–1940): Cathode Rays |Online=[https://web.lemoyne.edu/~GIUNTA/thomson1897.html Online]}}</ref>

== Entdeckung und Benennung des Elektrons ==

Das Konzept einer [[Elementarladung]], also einer kleinsten, unteilbaren Menge der elektrischen Ladung oder „Atom der Elektrizität“, wurde um die Mitte des 19. Jahrhunderts verschiedentlich vorgeschlagen, unter anderen von [[Richard Laming]], [[Wilhelm Eduard Weber|Wilhelm Weber]] und [[Hermann von Helmholtz]].<ref>{{Literatur |Autor=Theodore Arabatzis |Titel=Representing Electrons: A Biographical Approach to Theoretical Entities |Verlag=University of Chicago Press |Datum=2006 |ISBN=0-226-02421-0 |Seiten=70 f. |Sprache=en |Online={{Google Buch |BuchID=rZHT-chpLmAC |Seite=70}}}}</ref>

[[George Johnstone Stoney]] schlug 1874 die Existenz elektrischer Ladungsträger vor, die mit den Atomen verbunden sein sollten. Ausgehend von der [[Elektrolyse]] schätzte er die Größe von deren Ladung ab, erhielt allerdings einen um etwa den Faktor 20 zu niedrigen Wert.<ref>Abraham Pais ''Inward Bound'', S. 74.</ref> Beim Treffen der [[British Association for the Advancement of Science]] in Belfast schlug er vor, die Elementarladung als eine weitere fundamentale Naturkonstante zusammen mit der Gravitationskonstante und der Lichtgeschwindigkeit als Grundlage physikalischer Maßsysteme zu verwenden.<ref>''On the physical units of Nature'', veröffentlicht erst 1881, Philosophical Magazine, Band 11, 1881, S. 381.</ref><ref>Trans. Royal Dublin Society, Band 4, S. 583.</ref> Stoney prägte auch gemeinsam mit Helmholtz den Namen ''electron''.<ref>{{Literatur |Autor=Károly Simonyi |Titel=Kulturgeschichte der Physik |Verlag=Harri Deutsch, Thun |Ort=Frankfurt a. M. |Datum=1995 |ISBN=3-8171-1379-X |Seiten=380}}</ref> Der Name erinnert an das altgriechische Wort für den „[[Bernstein]]“, an dem [[Elektrostatik|elektrostatische]] Phänomene schon in der Antike untersucht wurden. In der deutschen Aussprache kann wahlweise auch die zweite oder dritte Silbe betont sein.

Später kam die alternative Bezeichnung '''Negatron''' (aus '''''nega'''tive Ladung'' und ''Elek'''tron''''', im Gegensatz zum [[Positron]]) auf, wird aber außer in der [[Betazerfall|Beta-Spektroskopie]] kaum noch verwendet.

[[Emil Wiechert]] fand 1897 heraus, dass die [[Kathodenstrahlung]] aus negativ geladenen Teilchen besteht, die sehr viel leichter als ein Atom sind, stellte dann aber seine Forschungen hierzu ein. Im gleichen Jahr bestimmte [[Joseph John Thomson]] die Masse der Teilchen (er bezeichnete sie erst als ''corpuscules'') genauer und konnte nachweisen, dass es sich unabhängig vom Kathodenmaterial und vom Restgas in der Kathodenstrahlröhre immer um die gleiche Art von Teilchen handelt.<ref>Encyclopedia Britannica 1911, Artikel ''Electron''.</ref> In dieser Zeit wurde anhand des [[Zeeman-Effekt]]es nachgewiesen, dass diese Teilchen auch im Atom vorkommen und dort die Lichtemission verursachen. Damit war das Elektron als Elementarteilchen identifiziert.

Die Elementarladung wurde erstmals 1909 durch [[Robert Andrews Millikan|Robert Millikan]] direkt gemessen.

== Eigenschaften ==
[[Datei:Standard Model of Elementary Particles-de.svg|mini|300px|[[Standardmodell]] der [[Elementarteilchen]]: die 12 Grund[[fermion]]en und 5 Grund[[boson]]en; das Elektron reiht sich unter den [[Lepton]]en ein]]

=== Elektrische Ladung ===

Das Elektron hat eine [[elektrische Ladung]] von <math>-1 \,e</math>, wobei <math>e</math> die [[Elementarladung]] ist. Da das [[Proton]] eine genau entgegengesetzt gleich große Ladung von <math>+1 \, e</math> hat, ist in einem ungeladenen [[Atom]] die Zahl der Protonen im [[Atomkern]] und die der Elektronen in der Atomhülle gleich groß.

=== Masse ===

Das Elektron hat eine Masse von {{ZahlExp|9,11|-31|post=kg}}, was 1/1836 der Masse eines Protons und 1/1839 der Masse eines Neutrons ist. Die Elektronen tragen daher nur zu einem winzigen Bruchteil zur Masse eines Atoms bei.

=== Stabilität ===
Das Elektron ist das leichteste der elektrisch geladenen Elementarteilchen. Wenn die [[Erhaltungssatz|Erhaltungssätze]] für Ladung und Energie gelten – was aller physikalischen Erfahrung entspricht – müssen Elektronen daher stabil sein. In der Tat gibt es bisher keinerlei experimentellen Hinweis auf einen Elektronenzerfall.

=== {{Anker|Klassischer Radius|Klassischer Radius und Punktförmigkeit}} Räumliche Ausdehnung ===

Das Elektron hat keine innere Struktur und wird in allen theoretischen Behandlungen als punktförmig angenommen. Die experimentelle Obergrenze für eine eventuelle endliche Größe des Elektrons liegt derzeit bei etwa 10−19 m. Dies ist eine Größenordnung, bei der die klassische Physik nicht mehr anwendbar ist. Denn bereits bei Längen der Größenordnung <math>\hbar/(m_\mathrm e c)</math>, was im Bereich 10−12 m liegt, werden Quanteneffekte wie [[Vakuumpolarisation]] relevant.

Vor der Entwicklung der Quantenphysik ging man davon aus, dass das Elektron einen endlichen Radius haben müsse, weil die Konzentration der Elektronenladung auf eine sehr kleine Ausdehnung des Elektrons sehr viel Energie benötigt, die nach der [[Äquivalenz von Masse und Energie]] <math display="inline">E_0 = m_\mathrm{e} c^2</math> in der Masse des Elektrons enthalten sein müsste und diese messbare Größe daher nicht überschreiten könnte. Man erhielt bei der Abschätzung je nach Modell leicht unterschiedliche Werte in der Größenordnung von 10−15 m ''(→ siehe [[Klassischer Elektronenradius]] <math>r_\mathrm e</math>).''

Von der (eventuellen) Ausdehnung des Elektrons zu unterscheiden ist sein [[Wirkungsquerschnitt]] für Wechselwirkungsprozesse. Bei der Streuung von [[Röntgenstrahlung|Röntgenstrahlen]] mittlerer Energie an Elektronen erhält man z. B. einen [[Streuquerschnitt]] von etwa <math>\pi r_\mathrm e^2</math>, was der Kreisfläche mit dem klassischen Elektronenradius <math>r_\mathrm e</math> entspräche. Im Grenzfall großer Wellenlängen, d. h. kleiner Photonenenergien, ist der Streuquerschnitt mit <math>\tfrac 8 3 \pi r_\mathrm e^2</math> fast dreimal so groß (siehe [[Thomson-Streuung]] und [[Compton-Effekt]]).

Chemische Bindungen hängen von Größe und Konfiguration der [[Atomorbital]]e ab. Deren Ausdehnungen sind von der Größenordnung 10−10 m, was aber keine intrinsische Ausdehnung der Elektronen ist, sondern von deren [[Wellenfunktion]], die die Aufenthaltswahrscheinlichkeit bestimmt.

=== Spin und magnetisches Moment ===
{{Hauptartikel|Elektronenspin}}
Das Elektron gehört zu den [[Lepton]]en und hat wie alle Leptonen einen [[Spin]] (genauer: Spinquantenzahl) von ½. Als Teilchen mit halbzahligem Spin gehört es zur Klasse der [[Fermion]]en, unterliegt also insbesondere dem [[Pauli-Prinzip]]. Sein [[Antiteilchen]] ist das [[Positron]], Symbol e+, mit dem es bis auf seine elektrische Ladung in allen Eigenschaften übereinstimmt.

In Verbindung mit der elektrischen Ladung bewirkt der Spin ein [[magnetisches Moment]] von

:<math>
\vec{\mu_\mathrm{s}} = -g_\mathrm{s}\frac{e}{2m_\mathrm{e}}\vec{s}.
</math>.

Dabei ist <math>\vec{\mu_\mathrm{s}}</math> das magnetische Moment des Elektronenspins, <math>m_\mathrm{e}</math> die [[Masse (Physik)|Masse]] des Elektrons, <math>e</math> seine Ladung und <math>\vec{s}</math> der [[Spin]]. <math>g_\mathrm{s}</math> heißt Landé- oder [[Landé-Faktor|g-Faktor]]. Der [[Term]] vor <math>\vec s</math>, der das Verhältnis des magnetischen Moments zum Spin beschreibt, wird als [[gyromagnetisches Verhältnis]] des Elektrons bezeichnet. Für das Elektron wäre nach der [[Dirac-Gleichung|Dirac-Theorie]] (relativistische Quantenmechanik) <math>g_\mathrm{s}</math> exakt gleich 2. Effekte, die erst durch die [[Quantenelektrodynamik]] erklärt werden, bewirken jedoch eine messbare geringfügige Abweichung von 2. Diese Abweichung wird als ''[[Elektronenspin#Anomales magnetisches Moment des Elektrons|anomales magnetisches Moment des Elektrons]]'' bezeichnet.

=== Elektrisches Dipolmoment ===

Die Suche nach einem [[Elektrisches Dipolmoment|elektrischen Dipolmoment]] des Elektrons blieb bisher ohne positiven Befund. Ein Dipolmoment würde entstehen, wenn bei einem nicht punktförmigen Elektron der Schwerpunkt der Masse nicht gleichzeitig der Schwerpunkt der Ladung wäre. So etwas wird von Theorien der [[Supersymmetrie]], die über das [[Standardmodell]] der Elementarteilchen hinausgehen, vorhergesagt; es würde die [[Zeitumkehr (Physik)|T-Symmetrie]] verletzen (zur Begründung siehe: [[Elektrisches Dipolmoment des Neutrons]]). Nach Messungen in starken intramolekularen Feldern ist ein eventuelles Dipolmoment nicht größer als {{ZahlExp|4,1|-32|pre=''e'' ·|post=m}}.<ref>{{Internetquelle |autor=Nadja Podbregar |url=https://www.scinexx.de/news/physik/elektron-seine-ladung-ist-doch-rund/ |titel=Elektron: Seine Ladung ist doch rund |datum=2023-07-07 |zugriff=2023-07-08 |hrsg=scinexx.de}} [[doi:10.1126/science.adg4084]]</ref> Anschaulich bedeutet das, dass Ladungs- und Massenmittelpunkt des Elektrons nicht weiter als einige 10−32 m auseinanderliegen können.

== Wechselwirkungen ==
Viele physikalische Erscheinungen wie [[Elektrizität]], [[Elektromagnetismus]] und [[Elektromagnetische Welle|elektromagnetische Strahlung]] beruhen im Wesentlichen auf Wechselwirkungen von Elektronen. Elektronen in einem elektrischen Leiter werden durch ein sich änderndes Magnetfeld verschoben und es wird eine [[elektrische Spannung]] induziert. Die Elektronen in einem stromdurchflossenen Leiter erzeugen ein Magnetfeld. Ein [[Beschleunigung|beschleunigtes]] Elektron – natürlich auch beim Fall der krummlinigen Bewegung – emittiert Photonen, die sogenannte [[Bremsstrahlung]] ([[Hertzscher Dipol]], [[Synchrotronstrahlung]], [[Freie-Elektronen-Laser]]).

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

Elektronen, die sich in [[Polarität (Chemie)|polaren]] [[Lösungsmittel]]n wie [[Wasser]] oder [[Alkohole]]n von ihren Atomen gelöst haben, werden als [[Solvatisiertes Elektron|solvatisierte Elektronen]] bezeichnet. Bei Lösung von [[Alkalimetall]]en in [[Ammoniak]] sind sie für die starke Blaufärbung verantwortlich.

Ein Elektron ist ein [[Quantenobjekt]], das heißt, bei ihm liegt die durch die [[Heisenbergsche Unschärferelation]] beschriebene Orts- und Impulsunschärfe im messbaren Bereich, so dass wie bei Licht sowohl [[Welle]]n- als auch [[Teilchen (Physik)|Teilcheneigenschaften]] beobachtet werden können,<ref>{{Literatur |Autor=G. Möllenstedt und H. Düker |Titel=Beobachtungen und Messungen an Biprisma-Interferenzen mit Elektronenwellen |Sammelwerk=Zeitschrift für Physik |Nummer=145 |Datum=1956 |Seiten=377–397 |Online=[https://finden.nationallizenzen.de/Record/ZDB-1-SOJ@198892616 frei zugänglich nach Anmeldung]}}</ref> was auch als [[Welle-Teilchen-Dualismus]] bezeichnet wird. In einem Atom kann das Elektron als stehende [[Materiewelle]] betrachtet werden.

== Experimente ==
Das Verhältnis ''[[Spezifische Ladung|e/m]]'' der [[Elementarladung|Elektronenladung]] zur Elektronenmasse kann als Schulversuch mit dem [[Fadenstrahlrohr]] ermittelt werden. Die direkte Bestimmung der Elementarladung gelang durch den [[Millikan-Versuch]].

Bei Elektronen, deren Geschwindigkeit nicht vernachlässigbar klein gegenüber der [[Lichtgeschwindigkeit]] ist, muss der nichtlineare Beitrag zum [[Impuls]] nach der [[Relativitätstheorie]] berücksichtigt werden. Elektronen mit ihrer geringen Masse lassen sich relativ leicht auf so hohe Geschwindigkeiten beschleunigen; schon mit einer [[Kinetische Energie|kinetischen Energie]] von 80 [[keV]] hat ein Elektron die halbe Lichtgeschwindigkeit. Der Impuls lässt sich durch die Ablenkung in einem Magnetfeld messen. Die Abweichung des Impulses vom nach klassischer Mechanik berechneten Wert wurde zuerst von [[Walter Kaufmann (Physiker)|Walter Kaufmann]] 1901 nachgewiesen und nach der Entdeckung der Relativitätstheorie zunächst mit dem Begriff der „[[Relativistische Masse|relativistischen Massenzunahme]]“ beschrieben, der aber inzwischen als überholt angesehen wird.

== Freie Elektronen ==
[[Datei:Crookes tube-in use-lateral view-2 prPNr°09.jpg|mini|Fluoreszenz durch Elektronen in einer [[Schattenkreuzröhre]]]]
In der [[Kathodenstrahlröhre]] (Braunsche Röhre) treten Elektronen aus einer beheizten [[Glühkathode]] aus und werden im [[Vakuum]] durch ein [[elektrisches Feld]] in Feldrichtung (in Richtung der positiven [[Anode]]) [[Beschleunigung|beschleunigt]]. Durch [[Magnetfeld]]er werden die Elektronen senkrecht zur Feldrichtung und senkrecht zur augenblicklichen Flugrichtung abgelenkt ([[Lorentzkraft]]). Diese Eigenschaften der Elektronen haben erst die Entwicklung des [[Oszilloskop]]s, des [[Fernseher]]s und des [[Computermonitor]]s ermöglicht.

Weitere Anwendungen freier Elektronen sind z. B. die [[Röntgenröhre]], das [[Elektronenmikroskop]], das [[Schweißen#Elektronenstrahlschweißen|Elektronenstrahlschweißen]], physikalische Grundlagenforschung mittels [[Teilchenbeschleuniger]]n und die Erzeugung von [[Synchrotronstrahlung]] für Forschungs- und technische Zwecke. Siehe dazu [[Elektronenstrahltechnik]].

== Weblinks ==
{{Wiktionary}}
{{Commonscat|Electrons|Elektronen}}
* [https://www.on.kitp.ucsb.edu/online/colloq/fritzsch1/ ''The Problem of Mass for Quarks and Leptons''] – Vortrag (englisch) von [[Harald Fritzsch]] am 22. März 2000 im [[Kavli Institute for Theoretical Physics]] (Vortragsunterlagen, 43 S. / Audioaufzeichnung, 82 min, 10 MB).

== Einzelnachweise ==
<references>
<ref name="C-def">
Dieser Wert gilt exakt, weil die Maßeinheit „[[Coulomb]]“ seit 2019 dadurch definiert ist, dass der Elementarladung dieser Wert zugewiesen wurde:
{{Internetquelle
|url=https://www.bipm.org/en/committees/cg/cgpm/26-2018/resolution-1
|titel=Resolution 1 of the 26th CGPM. On the revision of the International System of Units (SI)
|titelerg=
|werk=
|hrsg=[[Internationales Büro für Maß und Gewicht|Bureau International des Poids et Mesures]]
|datum=2018
|sprache=en
|abruf=2023-01-12
}}
</ref>
<ref name="CODATA">Die Angaben über die Teilcheneigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, entnommen aus: {{Internetquelle |url=https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?meu |titel=CODATA Recommended Values (2022)|hrsg=National Institute of Standards and Technology |abruf=2024-06-12}} Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes, diese Unsicherheit ist als [[CODATA#Standardunsicherheiten von CODATA-Werten|geschätzte Standardabweichung]] des angegebenen Zahlenwertes vom tatsächlichen Wert angegeben.
</ref>
<ref name="Kleiner-et-al">
{{Literatur
|Autor= Stefan Kleiner [[et al.]]
|Titel=Duden Aussprachewörterbuch
|TitelErg=Der Duden in zwölf Bänden, Band 6
|Auflage=7
|Verlag=Dudenverlag
|Ort=Berlin
|Datum=2015
|ISBN=978-3-411-04067-4
|Seiten=338}}
</ref>
</references>{{Normdaten|TYP=s|GND=4125978-6|LCCN=sh85042423}}
[[Kategorie:Lepton]]
[[Kategorie:Elektronenstrahltechnologie]]

Elektron - Versionsgeschichte

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