Ein Elektron ist ein stabiles, negativ geladenes Elementarteilchen. Zusammen mit Neutronen und Protonen ist es eines der drei Unterteilchen, aus denen ein Atom besteht. Aus diesem Grund kann es auch als subatomares Teilchen definiert werden. Es ist Teil der Leptonengruppe.
Sie können in einem freien Zustand (ohne an ein Atom gebunden zu sein) oder an den Atomkern gebunden auftreten.
Zur Messung dieser Art von Partikeln wird häufig die Penningfalle eingesetzt .
Elektronen existieren in Atomen in Kugelschalen mit unterschiedlichen Radien. Diese Kugelschalen repräsentieren Energieniveaus. Je größer die Kugelschale, desto größer ist die in diesem Elementarteilchen enthaltene Energie.
Elektrische Energie
In elektrischen Leitern sind Stromflüsse die Elektronen von Atomen, die einzeln von einem Atom zum anderen in der Richtung vom Minuspol zum Pluspol des elektrischen Leiters zirkulieren. Es ist das, was wir elektrische Energie oder Elektrizität nennen.
Obwohl sie normalerweise Teil von Atomen sind, gibt es Elektronen, die im Vakuum Strahlen bilden oder sich unabhängig durch Materie bewegen.
In Halbleitermaterialien wird durch die Bewegung dieser Teilteilchen auch elektrischer Strom erzeugt.
Elektrische Ladung des Elektrons
Die Ladung eines Elektrons beträgt etwa -1,602 x 10-19 Coulomb (C).
Die Einheit der elektrischen Elementarladung ist die elektrische Ladung eines Elektrons. Diese Elementarladung ist die kleinste in der Natur vorkommende Ladung und gilt als grundlegende Größe in der Teilchenphysik und der elektromagnetischen Theorie.
Die elektrische Ladung des Elektrons gilt aufgrund historischer Konventionen als negativ und die Ladung der Protonen (die positiv ist) wurde basierend auf der Ladung der Elektronen definiert. Diese Zeichenwahl ist in der Physik und Elektronik weithin akzeptiert.
Die Ladung eines Protons, das ein weiteres elementares Unterteilchen ist, ist gleich groß, hat jedoch ein entgegengesetztes Vorzeichen wie die Ladung des Elektrons.
Millikan-Öltropfen-Experiment
Der Zweck des Öltropfenexperiments von Robert Millikan und Harvey Fletcher bestand darin, die Ladung eines einzelnen Elektrons zu bestimmen. Sie erreichten dies, indem sie einen kleinen Tropfen Öl zwischen zwei Kondensatorplatten schweben ließen.
Dabei stellten sie fest, dass es sich bei den Messwerten stets um Vielfache derselben Ladung handelte. Sie interpretierten dies als eine Ladung auf einem einzelnen Elektron: 1,602 × 10−19 Coulomb.
1923 erhielt Millikan den Nobelpreis für Physik.
Elektronenmasse
Seine Masse beträgt etwa 9,11 x 10-31 kg.
Elektronen, die sich mit einem nennenswerten Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit bewegen, haben aufgrund relativistischer Effekte eine größere Masse. Das heißt, die Masse des Elektrons nimmt mit der Geschwindigkeit zu, entsprechend den Vorhersagen von Albert Einstein.
Bedeutung von Elektronen
Diese grundlegenden subatomaren Teilchen spielen in verschiedenen Aspekten der Physik, Chemie und Technologie eine wesentliche Rolle.
Seine Bedeutung liegt in mehreren Aspekten:
Elektrizität und elektrischer Strom
Elektronen tragen negative elektrische Ladung und sind für Elektrizität und elektrischen Strom verantwortlich. Elektrischer Strom ist in fast allen Bereichen unseres täglichen Lebens unverzichtbar, von der Beleuchtung über die Elektronik bis hin zur Stromerzeugung.
Leitfähige Materialien
Leitfähige Materialien ermöglichen eine freie Bewegung der Elektronen durch sie hindurch. Dies ist bei der Herstellung von Elektrokabeln, elektronischen Bauteilen und Schaltkreisen von entscheidender Bedeutung und erleichtert die Übertragung von Energie und elektrischen Signalen.
Chemische Verbindungen
In der Chemie sind diese Teilchen an der Bildung chemischer Bindungen zwischen Atomen beteiligt. Die gemeinsame Nutzung und Übertragung von Elektronen zwischen Atomen ermöglicht die Bildung von Molekülen und chemischen Verbindungen, was für die Chemie und das Leben selbst von grundlegender Bedeutung ist.
Materialeigenschaften
Elektronen bestimmen viele Eigenschaften von Materialien, wie zum Beispiel ihre elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und magnetischen Eigenschaften. Diese Eigenschaften sind bei der Herstellung elektronischer Geräte, magnetischer Materialien und mehr von entscheidender Bedeutung.
Strahlung und Spektroskopie
In der Physik sind Elektronen an Strahlungsprozessen wie der Emission und Absorption von Licht beteiligt. Die Spektroskopie, die die Wechselwirkung von Elektronen mit elektromagnetischer Strahlung nutzt, dient der Analyse der Zusammensetzung von Stoffen und dem Verständnis astronomischer Phänomene.
Elektronik und Technologie
Elektronische Geräte wie Computer, Mobiltelefone, Fernseher und mehr funktionieren durch die Manipulation von Elektronen. Fortschritte in der Elektronik haben die moderne Gesellschaft und Technologie verändert.
Teilchenphysik
In der Teilchenphysik sind Elektronen grundlegende Teilchen, die in Teilchenbeschleunigern untersucht werden. Das Verständnis ihres Verhaltens hat zur Entwicklung grundlegender Theorien über die Struktur der Materie und grundlegende Wechselwirkungen geführt.
Geschichte und Entdeckung
Die Entdeckung des Elektrons wird hauptsächlich dem britischen Physiker JJ Thomson im späten 19. Jahrhundert zugeschrieben. Im Jahr 1897 führte Thomson Experimente mit einer Kathodenstrahlröhre durch, einem Gerät, das elektrischen Strom und Entladungen im Teilvakuum nutzt.
Thomson beobachtete, dass sich innerhalb der Kathodenstrahlröhre winzige Partikel mit negativer elektrischer Ladung von der Kathode zur Anode bewegten. Diese Teilchen wurden von Thomson „Elektronen“ genannt. Seine Experimente zeigten, dass Elektronen grundlegende Bestandteile der Materie sind und eine spezifische Beziehung zwischen ihrer Ladung und Masse haben, was ihre Existenz als subatomare Teilchen verrät.
Thomsons Atommodell ist das erste Atommodell, in dem die Existenz von Elektronen in der Zusammensetzung eines Atoms erwähnt wird.
Diese Entdeckung war revolutionär und legte den Grundstein für ein neues Verständnis der Atomstruktur und der elektrischen Wechselwirkungen auf subatomarer Ebene. Darüber hinaus ebnete es den Weg für spätere Entwicklungen in Physik, Chemie und Technologie, einschließlich moderner Elektronik und Quantentheorie.
