Basiswissen

Das Elektron ist sozusagen das Atom der Elektriztität^[5], die kleinst mögliche (negative) elektrische Ladung. Elektronen wurden gegen Ende des 19ten Jahrhunderts entdeckt

Bildbeschreibung und Urheberrecht — Man sieht eine blaue Kugel vor samtschwarzem Hintergrund.☛

Eigenschaften

Größe und Masse

Elektronen sind sehr viel leichter als Protonen.

1836 Elektronen wiegen zusammen so viel wie ein Proton.

Oft angenommen wurde eine Kugelgestalt der Elektronen.^[4]

Man vermutet, dass Elektronen vielleicht sogar gar keine Ausdehnung haben.

Siehe auch 👉 Elektronendurchmesser

Ladung

Elektronen sind elektrisch geladen.^[5]

Sie stoßen sich gegenseitig sehr stark ab.

Unklar ist, was sie innerlich zusammenhält.^[2]

Sie auch 👉 Elementarladung

Form

Die meisten Personen stellen sich die Elementarteilchen wie Elektronen oder auch die Kernbauteilchen der Neutronen und Protonen wahrscheinlich als Kugeln vor. Zumindest als modellhafte Annahme machen das auch Wissenschaftler:

ZITAT:

Max Abram, 1902 "Wir schreiben dem Elektron, dem Atome der negativen Elektrizität, eine Ladung e (elektrostatisch gemessen) zu. Das in den Kathoden- und Becquerelstrahlen bewegte freie Elektron sei – das nehmen wir an – eine Kugel vom Radius a, über deren Volumen die Elektrizität gleichförmig, mit der Dichte ϱ, verteilt ist. Die Elektrizität soll an den Volumelementen des Elektrons haften, wie die Materie an den Volumelementen eines starren Körpers".^[10]

Tatsächlich kann man über die Form des Elektrons keine sichere Aussage machen. Oft nimmt man es als Massenpunkt an^[11] und ordnet ihm damit keinerlei Ausdehnung zu^[12]. Wenn es um konkrete Berechnungen geht, genügt die Annahme eines Massenpunktes oder einer Punktladung. So setzte Abraham seine Berechnungen im Jahr 1902 mit an mit: "Dabei wird das Elektron als Punktladung aufgefasst."^[10] Siehe auch 👉 Punktladung

Entdeckung

Die Existenz von kleinsten elektrisch geladenen Teilchen, den Teilchen des Stroms, wurde schon lange vermutet. Verschiedene Beobachtungen und theoretische Überlegungen legten es nahe, dass auch die elektrische Ladung atomar sein könnte, das heißt, aus nicht weiter teilbaren kleinsten Mengen besteht. Im Jahr 1874 etwa wurden Beobachtungen an Elektrolyten angeführt. Im Jahr 1894 wurde erstmal der Name Elektron für diese kleine elektrische Ladungsmenge oder seinen Träger vorgeschlagen.^[9]

Das was wir heute als Elektronen bezeichnen wurde aber erst 1897 ziemlich sicher nachgewiesen. Interessant ist, was den Anlass gab. Im späten 19. Jahrhundert waren Versuche mit sogenannten Kathodenstrahlröhre hochmodern: in einer rundum geschlossenen Glasröhre wurde eine Metallplatte, die Kathode, stark erhitzt. Brachte man dann gegenüber der negativ geladenen Kathode eine andere positiv geladene Metallplatte, die Anode an, dann zeigten sich je nach Gasfüllung oder Beschichtung der Glasröhre sehr unterschiedliche Lichteffekte. Aber niemand wusste, was diese Lichteffekte verursachte. Zwei Theorien standen im Raum. Zum einen dachte man mit der damals ebenfalls modernen Äthertheorie, dass sich irgendwie Schwingungen im Äther ausbreiten. Zum anderen aber gab es auch die Theorie, dass irgendwelche Teilchen aus der Kathode austreten. Zwischen den zwei Theorien zu unterscheiden war aber wohl nicht ganz einfach.

ZITAT:

J. J. Thomson, 1897: "Die in diesem Artikel beschriebenen Experimente wurden in der Hoffnung durchgeführt, Erkenntnisse über die Natur der Kathodenstrahlen zu gewinnen. Zu diesen Strahlen existieren die unterschiedlichsten Meinungen. Nach der nahezu einhelligen Ansicht deutscher Physiker beruhen sie auf einem Prozess im Äther, zu dem – da ihr Verlauf in einem homogenen Magnetfeld kreisförmig und nicht geradlinig ist – kein bisher beobachtetes Phänomen analog ist. Eine andere Auffassung besagt, dass diese Strahlen keineswegs rein ätherisch, sondern rein materiell sind und die Bahnen negativ geladener Materieteilchen markieren. Auf den ersten Blick sollte es nicht schwerfallen, zwischen so unterschiedlichen Ansichten zu unterscheiden. Die Erfahrung zeigt jedoch, dass dies nicht der Fall ist, da sich unter den Physikern, die sich am intensivsten mit dem Thema auseinandergesetzt haben, Anhänger beider Theorien finden."^[6]

Die Elektronen wurden also nicht zufällig entdeckt. Vielmehr wurde ihre Existenz vermutet, stand aber in Konkurrenz zu anderen Erklärungen. Wie hat J. J. Thomsons es nun angestellt zu zeigen, dass das Zeug aus der Kathode elektrisch negativ geladene Teilchen sind? Zunächst stellte er einen Versuch von einem gewissen Herrn Perrin vor:

ZITAT:

"Wenn es sich bei diesen Strahlen um negativ geladene Teilchen handelt, müssten sie beim Eintritt in einen geschlossenen Raum eine negative Ladung mit sich führen. Dies wurde von Perrin nachgewiesen, der vor einer ebenen Kathode zwei koaxiale, voneinander isolierte Metallzylinder platzierte: Der äußere Zylinder war mit der Erde, der innere mit einem Blattgoldelektroskop verbunden. Die Zylinder waren bis auf zwei kleine Löcher – je eines in jedem Zylinder – verschlossen, durch die die Kathodenstrahlen in das Innere des inneren Zylinders gelangen konnten. Perrin stellte fest, dass das Elektroskop eine negative Ladung aufnahm, sobald die Strahlen in den inneren Zylinder eintraten. Wurden die Strahlen hingegen durch einen Magneten abgelenkt und konnten das Loch nicht mehr passieren, gelangte keine Ladung auf das Elektroskop.^[7]

Doch Thomson ließ dies noch nicht als Beweis dafür gelten, dass die Strahlen von den Kathoden wirklich der Grund für die elektrische Aufladung des inneren Metallzylinders waren. Er greift ein mögliches Gegenargument der deutschen Befürworter der Äther-Theorie auf:

ZITAT:

"Dieses Experiment beweist, dass von der Kathode etwas negativ geladenes ausgesendet wird, das sich senkrecht zu ihr bewegt und von einem Magneten abgelenkt wird. Es lässt sich jedoch einwenden, dass es nicht beweist, dass die Ursache der Elektrisierung im Elektroskop etwas mit den Kathodenstrahlen zu tun hat. Die Anhänger der Äthertheorie bestreiten nicht, dass von der Kathode elektrisierte Teilchen ausgesendet werden; sie bestreiten jedoch, dass diese geladenen Teilchen mehr mit den Kathodenstrahlen zu tun haben als eine Gewehrkugel mit dem Mündungsfeuer beim Abfeuern eines Gewehrs."^[8]

Um sich nun ganz sicher zu sein, dass es die elektrisch geladenen Teilchen aus der Kathode sind, die den Metallzylinder elektrisch aufladen, baute Thomson das Experiment so um, dass der Strahl nur dann auf den Metallzylinder fällt, wenn er vorher durch ein geeignet starkes Magnetfeld passend abgelenkt wurde. Es zeigt sich dann, dass die gemessene Ladung des Metallzylinders ganz eng mit der passenden Umlenkung des Strahls durch das künstlich erzeugte Magnetfeld zusammenhängt. Diese Beobachtung war dann für Thomson die gesuchte Bestätigung.

Thomson zeigte dann, dass die Strahlen auch in einem elektrostatischen Feld zwischen zwei Metallplatten abgelenkt werden können. Dieser Versuch sei schon mehrfach vor ihm gemacht worden, jedoch stets mit negativem Ergebnis (keine Ablenkung des Strahls). Thomson erkannte, dass der Grund dafür Ionen im Gas in der Glasrhöhre waren, die die elektrische Ladung der Metallplatten ausgleichen. Als Thomson das Experiment aber im Vakuum machte, zeigte sich schon bei Batteriespannungen von 2 Volt eine erkennbare Ablenkung des Strahls beim Auftreffen auf die Innenwand der Glasröhre.

Als Geschwindigkeit für die Partikel fand er einen Wert von 10⁹ cm/s heraus, also 10⁷ m/s oder 10000 Kilometer pro Sekunde.

Thomsons originale Veröffentlichung aus dem Jahr 1897 ist sehr gut verständlich geschrieben. Die nötige Mathematik geht nicht über den Stoff der Klasse 9 hinaus. Thomson legt immer wieder genau die Position seiner Gegner dar und geht dann auf sie ein.

Elektronen in der Atomhülle

In Atomen stellt man sich Elektronen so vor, dass sie um den Atomkern herumfliegen, so ähnlich wie die Planeten um die Sonne (diese Vorstellung ist aber nur ein Hilfsbild, die Wirklichkeit muss anders sein). Siehe auch 👉 Bohrsches Atommodell

Elektronen als Strom

Elektronen sind das woraus normaler Strom besteht. Wenn Elektronen durch ein Metall fließen, dann wird das Metall warm. Außerdem entsteht immer ein Magnetfeld um Elektronen, die sich irgendwie bewegen. Mehr dazu unter 👉 elektrischer Strom

Trivia zu Elektronen

Der Name Elektron stammt vom griechischen Wort für 👉 Bernstein

Elektronen werden in der Physik oft bläulich dargestellt.

Elektronen an sich kann man aber sinnvoll keine Farbe zuordnen.

Fußnoten

[1] Das Elektron kurz nach seiner Entdeckung (1897) in einem Lexikon aus dem Jahr 1906: "Elektron nennt man das Elementarteilchen der Elektrizität, das analog wie die chemischen Atome die kleinsten Teile der Materie, das kleinstmögliche, nicht mehr teilbare Elektrizitätsquantum darstellt. Es ist bis jetzt nur gelungen, negative freie, d.h. von chemischen Atomen befreite Elektronen zu erhalten. Die Kathodenstrahlen bestehen aus solchen mit großer Geschwindigkeit (bis zu etwa 1/4 Lichtgeschwindigkeit) fortgeschleuderten negativen Elektronen; ferner sind die von den radioaktiven Substanzen, dem Radium u.s.w. ausgesandten Becquerelstrahlen als mit nahezu Lichtgeschwindigkeit emittierte Elektronen erkannt. Auch hat sich die Lichtemission glühender Metalldämpfe auf Schwingungen negativer Elektronen um das positiv geladene Metallatom zurückführen lassen. Aus allen drei Phänomenen ist die Masse des negativen Elektrons nahezu übereinstimmend zu etwa 1/2000 derjenigen des Wasserstoffatoms berechnet. Bei den mit sehr großer Geschwindigkeit geschleuderten Elektronen nimmt jedoch die Masse mit wachsender Geschwindigkeit zu, indem sich die durch die Wirkung der elektrischen Ladung des Elektrons auf den Lichtäther bedingte »elektromagnetische Masse« zu der gewöhnlichen addiert. Nach den Messungen Kaufmanns ist es sogar wahrscheinlich, daß die gesamte Masse elektromagnetischer Natur ist. In Gasen umgeben sich die Elektronen mit einem Hofe (bis etwa 7) unelektrischer Gasatome, worauf ihre kondensierende Wirkung in übersättigten Dämpfen beruht. Die negativen und positiven Ionen in Lösungen sind nach dieser atomistischen Elektrizitätstheorie als chemische Verbindungen von unelektrischen Atomen mit negativen oder positiven Elektronen aufzufassen; das Faradaysche Gesetz, nach dem immer die gleiche Elektrizitätsmenge bezw. ein ganzzahliges Vielfaches derselben mit einem Grammatom wandert, ist also hiernach eine Folge des chemischen Gesetzes der konstanten und multiplen Proportionen. Nach neueren Theorien ist auch die Elektrizitätsleitung in Metallen im wesentlichen auf den Transport negativer freier Elektronen im Metall zurückzuführen." In: Lueger, Otto: Lexikon der gesamten Technik und ihrer Hilfswissenschaften, Bd. 3 Stuttgart, Leipzig 1906., S. 424-425. Online: http://www.zeno.org/nid/2000600797X

[2] Der Physiker und Nobelpreisträger Richard Feynman (1918 bis 1988) stellt sich die Frage "was ein negatives geladenes Elektron zusammenhält". Feynman geht davon aus, dass ein Elektron keine der sogenannten "Kernkräfte" hat, die für den Zusammenhalt von Atomkernen sorgen. Und wenn "ein Elektron aus nur einer Sorte einer Substanz" zusammensetzt, "müßte jeder Teil die anderen Teile abstoßen." Feynman fragt dann: "Warum fliegt das Elektron also nicth auseinander?" Feynman spielt kurz den Gedanken durch, dass das Elektron nicht aus "Teilen"besteht, sondern "einfach ein Punkt ist" und "elektrische Kräfte nur zwischen verschiedenen Punktladungen wirken". Er läßt diese Möglichkeit mit einem "Vielleicht" offen, schließt den Gedanken aber vorerst ab mit dem Hinweis, dass "die Frage [] nie beantwortet worden [ist]". In: Richard Feynman: Feymnan-Vorlesungen über Physik. Band 2. Elektromagnetismus und Struktur der Materie. Oldenbourg Verlag. 2007. ISBN:978-3-486-58107-2. Dort die Seite 2. Siehe auch 👉 Feynman Lectures

[3] W. Kaufmann: Die Entwickelung des Elektronenbegriffes. Verhandl. der 73. Naturforscherversammlung in Hamburg p. 115; Physik. Zeitschr. 3. p. 9. 1901.

[4] "Dem Elektron, dem Atome der negativen Elektrizität, schreiben wir die Ladung e zu, die wir durch absolute elektrostatische Einheiten ausdrücken. Das in den Kathodenstrahlen und Becquerelstrahlen bewegte freie Elektron betrachten wir als eine Kugel von dem unveränderlichen Radius a." In: Max Abraham: Prinzipien der Dynamik des Elektrons. In: Annalen der Physik (1903). 315, Nr. 1. S. 105–179

[5] Die Elektrizität haftet an dem Elektron, das Elektron selbst ist damit bloßer Träger der Elektrizität: "Die Elektrizität soll, das ist unsere erste Grundhypothese, an den Volumenelementen des starren Elektrons haften, wie die Materie an den Volumenelementen des starren Körpers." In: Max Abraham: Prinzipien der Dynamik des Elektrons. In: Annalen der Physik (1903). 315, Nr. 1. S. 105–179

[6] Äther oder Teilchen? Zur Frage im Jahr 1897: "The experiments discussed in this paper were undertaken in the hope of gaining some information as to the nature of the Cathode Rays. The most diverse opinions are held as to these rays; according to the almost unanimous opinion of German physicists they are due to some process in the aether to which - inasmuch as in a uniform magnetic field their course is circular and not rectilinear - no phenomenon hitherto observed is analogous: another view of these rays is that, so far from being wholly aetherial, they are in fact wholly material, and that they mark the paths of particles of matter charged with negative electricity. It would seem at first sight that it ought not to be difficult to discriminate between views so different, yet experience shows that this is not the case, as amongst the physicists who have most deeply studied the subject can be found supporters of either theory." In: J. J. Thomson, “Cathode Rays,” The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, Fifth Series, 44 (1897): 293-316.

[7] Perrins Experiment: "If these rays are negatively electrified particles, then when they enter an enclosure they ought to carry into it a charge of negative electricity. This has been proved to be the case by Perrin, who placed in front of a plane cathode two coaxial metallic cylinders which were insulated from each other: the outer of these cylinders was connected with the earth, the inner with a gold-leaf electroscope. These cylinders were closed except for two small holes, one in each cylinder, placed so that the cathode rays could pass through them into the inside of the inner cylinder. Perrin found that when the rays passed into the inner cylinder the electroscope received a charge of negative electricity, while no charge went to the electroscope when the rays were deflected by a magnet so as no longer to pass through the hole." In: J. J. Thomson, “Cathode Rays,” The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, Fifth Series, 44 (1897): 293-316.

[8] Noch kein echter Beweis, noch zweifelhaft: "This experiment proves that something charged with negative electricity is shot off from the cathode, travelling at right angles to it, and that this something is deflected by a magnet; it is open, however, to the objection that it does not prove that the cause of the electrification in the electroscope has anything to do with the cathode rays. Now the supporters of the aetherial theory do not deny that electrified particles are shot off from the cathode; they deny, however, that these charged paticles have any more to do with the cathode rays than a rifle-ball has with the flash when a rifle is fired. " In: J. J. Thomson, “Cathode Rays,” The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, Fifth Series, 44 (1897): 293-316.

[9] 1894 bezieht sich Stoney auf ein Schriftstück, das er bereits 20 Jahre vorher, im Jahr 1874 verfasst hatte: "In this paper an estimate was made of the actual amount of this most remarkable fundamental unit of electricity, for which I have since ventured to suggest the name electron." Damit war der Name Elektron in der Welt. In: Stoney, G. J. (1894). XLIX. Of the “electron,” or atom of electricity: To the editors of the Philosophical Magazine. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 38(233), 418–420. Online: https://www.chemteam.info/Chem-History/Stoney-1894.htm

[10] Max Abraham. Prinzipien der Dynamik des Elektrons. Nachr. Ges. Wiss. Göttingen, 1902.

[11] Lorenzo Curtis: Atomic Structure and Lifetimes. A Conceptual Approach. Cambridge University Press. 2003. ISBN: 0-521-82939-9. Seite 74: "The minimum radius for a mechanically spinning electron model that will yield a value for the electromagnetic inertia that does not exceed its observed mass (the so-called "classical electron-radius") leads to a tangential velocity much greater than the speed of light. Thus, any attemp to gain conceptual insights by considering the electron as anything other than a point particle are ill-conceived and counter-pedagogic." [1]

[12] Der Mathematiker Stephen Wolfram (geboren 1959) schreibt: "But what exactly are particles? As far as present-day experiments can tell, electrons, for example, have zero size and no substructure." In: Stephen Wolfram: A New Kind of Science. 2002. ISBN: 1-57955-008-8. Dort das Kapitel "Elementary Particles". Dort die Seite 525.