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Elektron

Das Konzept einer kleinsten, unteilbaren Menge der elektrischen Ladung wurde um die Mitte des 19. Jahrhunderts verschiedentlich vorgeschlagen, unter anderen von Richard Laming, Wilhelm Weber und Hermann von Helmholtz.

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 der Elektronenladung ab, erhielt allerdings einen um etwa den Faktor 20 zu niedrigen Wert. Beim Treffen der British Association 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. Stoney prägte auch gemeinsam mit Helmholtz den Namen electron für das „Atom der Elektrizität“.

Emil Wiechert fand 1897, 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 gleichen Teilchen handelt. In dieser Zeit wurde anhand des Zeeman-Effektes nachgewiesen, dass diese Teilchen auch im Atom vorkommen und dort die Lichtemission verursachen. Damit war das Elektron als Elementarteilchen identifiziert.

Die Elementarladung wurde 1909 durch Robert Millikan gemessen.

Das Elektron ist das leichteste der elektrisch geladenen Elementarteilchen. Wenn die 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.

Das Elektron gehört zu den Leptonen und hat wie alle Leptonen einen Spin (genauer: Spinquantenzahl) von 1/2. Als Teilchen mit halbzahligem Spin gehört es zur Klasse der Fermionen, 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.

Einige der Grundeigenschaften des Elektrons, die in der oben stehenden Tabelle aufgelistet sind, werden durch das magnetische Moment des Elektronenspins miteinander verknüpft:

μ s = g s e 2 m e s {\displaystyle {\vec {\mu _{\mathrm {s} }}}=-g_{\mathrm {s} }{\frac {e}{2m_{\mathrm {e} }}}{\vec {s}}} .

Dabei ist μ s {\displaystyle {\vec {\mu _{\mathrm {s} }}}} das magnetische Moment des Elektronenspins, m e {\displaystyle m_{\mathrm {e} }} die Masse des Elektrons, e {\displaystyle e} seine Ladung und s {\displaystyle {\vec {s}}} der Spin. g s {\displaystyle g_{\mathrm {s} }} heißt Landé- oder g-Faktor. Der Term vor s {\displaystyle {\vec {s}}} , der das Verhältnis des magnetischen Moments zum Spin beschreibt, wird als gyromagnetisches Verhältnis des Elektrons bezeichnet. Für das Elektron wäre nach der Dirac-Theorie (relativistische Quantenmechanik) g s {\displaystyle g_{\mathrm {s} }} exakt gleich 2. Effekte, die erst durch die Quantenelektrodynamik erklärt werden, bewirken jedoch eine messbare geringfügige Abweichung von 2. Diese Abweichung wird als anomales magnetisches Moment des Elektrons bezeichnet.

Standardmodell der Elementarteilchen: die 12 Grundfermionen und 5 Grundbosonen; das Elektron reiht sich unter den Leptonen ein

Kurz nach der Entdeckung des Elektrons versuchte man seine Ausdehnung abzuschätzen, insbesondere wegen der klassischen Vorstellung kleiner Billardkugeln, die bei Streuexperimenten aufeinanderstoßen. Die Argumentation lief darauf hinaus, dass die Konzentration der Elektronenladung auf eine sehr kleine Ausdehnung des Elektrons Energie benötige, die nach dem Äquivalenzprinzip in der Masse des Elektrons stecken müsse. Unter der Annahme, dass die Energie E Ruhe = m e c 2 {\displaystyle E_{\text{Ruhe}}=m_{\mathrm {e} }\,c^{2}} eines Elektrons in Ruhe gleich der doppelten Selbstenergie e 2 4 π ε 0 r e {\displaystyle {\frac {e^{2}}{4\pi \varepsilon _{0}r_{\mathrm {e} }}}} der Elektronenladung im eigenen elektrischen Feld sei, erhält man den klassischen Elektronenradius

r e = e 2 4 π ε 0 m e c 2 = α 2 a 0 = 2,817 940 3262 ( 13 ) 10 15 m {\displaystyle r_{\mathrm {e} }={\frac {e^{2}}{4\,\pi \,\varepsilon _{0}\,m_{\mathrm {e} }\,c^{2}}}=\alpha ^{2}\,a_{0}=2{,}817\,940\,3262\,(13)\cdot 10^{-15}~\mathrm {m} \ }

e {\displaystyle e} : Elementarladung, π {\displaystyle \pi } : Kreiszahl, ε 0 {\displaystyle \varepsilon _{0}} : Elektrische Feldkonstante, m e {\displaystyle m_{\mathrm {e} }} : Elektronenmasse, c {\displaystyle c} : Lichtgeschwindigkeit, α {\displaystyle \alpha } : Feinstrukturkonstante, a 0 {\displaystyle a_{0}} : Bohrscher Radius.

Die Selbstenergie trennt dabei gedanklich elektrische Ladung und elektrisches Feld des Elektrons. Setzt man die Ladung −e in das Potential ϕ ( r ) = 1 4 π ε 0 e r {\displaystyle \phi (r)=-{\tfrac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}\cdot {\tfrac {e}{r}}} , wobei man zum Beispiel ein zweites Elektron gleichmäßig auf eine Kugeloberfläche vom Radius r e {\displaystyle r_{\mathrm {e} }} verteilt denkt, so ist dafür Energie nötig, die Selbstenergie eines einzigen Elektrons beträgt hiervon die Hälfte. Es gab jedoch durchaus auch andere Herleitungen für eine mögliche Ausdehnung des Elektrons, die auf andere Werte kamen.

Heute ist die Sichtweise bezüglich einer Ausdehnung des Elektrons eine andere: In den bisher möglichen Experimenten zeigen Elektronen weder Ausdehnung noch innere Struktur und können insofern als punktförmig angenommen werden. Die experimentelle Obergrenze für die Größe des Elektrons liegt derzeit bei etwa 10−19 m. Dennoch tritt der klassische Elektronenradius r e {\displaystyle r_{\mathrm {e} }} in vielen Formeln auf, in denen aus den feststehenden Eigenschaften des Elektrons eine Größe der Dimension Länge (oder Fläche etc.) gebildet wird, um experimentelle Ergebnisse erklären zu können. Z. B. enthalten die theoretischen Formeln für die Wirkungsquerschnitte des Photo- und des Compton-Effekts das Quadrat von r e {\displaystyle r_{\mathrm {e} }} .

Auch die Suche nach einem 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 T-Symmetrie verletzen (zur Begründung siehe: Elektrisches Dipolmoment des Neutrons). Eine Messung im Oktober 2013, die das starke elektrische Feld in einem polaren Molekül ausnutzt, hat ergeben, dass ein eventuelles Dipolmoment mit einem Konfidenzniveau von 90 % nicht größer als 8,7·10−31 e {\displaystyle e} m ist. Anschaulich bedeutet das, dass Ladungs- und Massenmittelpunkt des Elektrons nicht weiter als etwa 10−30 m auseinanderliegen können. Theoretische Ansätze, nach denen größere Werte vorhergesagt wurden, sind damit widerlegt.

Von der (eventuellen) Ausdehnung des Elektrons zu unterscheiden ist sein Wirkungsquerschnitt für Wechselwirkungsprozesse. Bei der Streuung von Röntgenstrahlen an Elektronen erhält man z. B. einen Streuquerschnitt von etwa π r e 2 {\displaystyle \pi r_{e}^{2}} , was der Kreisfläche mit dem oben beschriebenen klassischen Elektronenradius r e {\displaystyle r_{e}} entspräche. Im Grenzfall großer Wellenlängen, d. h. kleiner Photonenenergien, steigt der Streuquerschnitt auf ( 8 / 3 ) π r e 2 {\displaystyle (8/3)\pi r_{e}^{2}} (siehe Thomson-Streuung und Compton-Effekt).

Viele physikalische Erscheinungen wie Elektrizität, Elektromagnetismus und 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 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 polaren Lösungsmitteln wie Wasser oder Alkoholen von ihren Atomen gelöst haben, werden als solvatisierte Elektronen bezeichnet. Bei Lösung von Alkalimetallen 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 Wellen- als auch Teilcheneigenschaften beobachtet werden können, was auch als Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet wird. In einem Atom kann das Elektron als stehende Materiewelle betrachtet werden.

Das Verhältnis e/m der 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 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 1901 nachgewiesen und nach der Entdeckung der Relativitätstheorie zunächst mit dem Begriff der „relativistischen Massenzunahme“ beschrieben, der aber inzwischen als überholt angesehen wird.

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) beschleunigt. Durch Magnetfelder werden die Elektronen senkrecht zur Feldrichtung und senkrecht zur augenblicklichen Flugrichtung abgelenkt (Lorentzkraft). Diese Eigenschaften der Elektronen haben erst die Entwicklung des Oszilloskops, des Fernsehers und des Computermonitors ermöglicht.

Weitere Anwendungen freier Elektronen sind z. B. die Röntgenröhre, das Elektronenmikroskop, das Elektronenstrahlschweißen, physikalische Grundlagenforschung mittels Teilchenbeschleunigern und die Erzeugung von Synchrotronstrahlung für Forschungs- und technische Zwecke. Siehe dazu Elektronenstrahltechnik.

Wiktionary: Elektron – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons: Elektronen – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
  1. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 20. Mai 2019. Elementarladung in C (exakt).
  2. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 20. Mai 2019. Elektronenmasse in u. Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes, diese Unsicherheit ist als geschätzte Standardabweichung des angegebenen Zahlenwertes vom tatsächlichen Wert angegeben.
  3. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 20. Mai 2019. Elektronenmasse in kg. Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes, diese Unsicherheit ist als geschätzte Standardabweichung des angegebenen Zahlenwertes vom tatsächlichen Wert angegeben.
  4. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 20. Mai 2019. Elektronenmasse in MeV/c2. Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes, diese Unsicherheit ist als geschätzte Standardabweichung des angegebenen Zahlenwertes vom tatsächlichen Wert angegeben.
  5. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 20. Mai 2019. Compton-Wellenlänge. Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes, diese Unsicherheit ist als geschätzte Standardabweichung des angegebenen Zahlenwertes vom tatsächlichen Wert angegeben.
  6. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 3. August 2019. Magnetisches Moment. Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes, diese Unsicherheit ist als geschätzte Standardabweichung des angegebenen Zahlenwertes vom tatsächlichen Wert angegeben.
  7. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 20. Mai 2019. g-Faktor. Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes, diese Unsicherheit ist als geschätzte Standardabweichung des angegebenen Zahlenwertes vom tatsächlichen Wert angegeben.
  8. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 20. Mai 2019. Gyromagnetisches Verhältnis. Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes, diese Unsicherheit ist als geschätzte Standardabweichung des angegebenen Zahlenwertes vom tatsächlichen Wert angegeben.
  9. Károly Simonyi: Kulturgeschichte der Physik. Harri Deutsch, Thun, Frankfurt a. M. 1995, ISBN 3-8171-1379-X,S.380.
  10. H. Rechenberg: The electron in physics – selection from a chronology of the last 100 years. In: European Journal of Physics.Band18.3, 1997,S.145.
  11. J.J. Thomson: Cathode Rays. In: Philosophical Magazine.Band44, 1897,S.293 ().Fehler in Vorlage:Literatur – *** Ungültig: Unerlaubte Klammerung innerhalb Klammer
  12. Theodore Arabatzis: Representing Electrons: A Biographical Approach to Theoretical Entities. University of Chicago Press, 2006, ISBN 0-226-02421-0,S.70f. (englisch, in der Google-Buchsuche).
  13. Abraham Pais Inward Bound, S. 74.
  14. On the physical units of Nature, veröffentlicht erst 1881, Philosophical Magazine, Band 11, 1881, S. 381.
  15. Trans. Royal Dublin Society, Band 4, S. 583.
  16. Károly Simonyi: Kulturgeschichte der Physik. Harri Deutsch, Thun, Frankfurt a. M. 1995, ISBN 3-8171-1379-X,S.380.
  17. Encyclopedia Britannica 1911, Artikel Electron.
  18. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 20. Mai 2019. Klassischer Elektronenradius. Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes, diese Unsicherheit ist als geschätzte Standardabweichung des angegebenen Zahlenwertes vom tatsächlichen Wert angegeben.
  19. W. Finkelburg: Einführung in die Atomphysik, Springer, 1976.
  20. Dieter Meschede: Gerthsen Physik 22. Aufl. Berlin Springer, 2004. (Springer-Lehrbuch), Seite 592 und Aufgabe (17.4.5) Seite 967.
  21. Paul Huber und Hans H. Staub: Atomphysik (Einführung in die Physik; Band 3, Teil 1) Basel: Reinhardt 1970, Seite 170.
  22. Richard Feynman: Lectures on Physics, Vol 1, Mechanics, Radiation and Heat, Addison-Wesley 1966 – Gleichung (32.11) Seite 32–4.
  23. Clara Moskowitz: 15. November 2013, abgerufen am 19. November 2013.
  24. G. Möllenstedt und H. Düker: Beobachtungen und Messungen an Biprisma-Interferenzen mit Elektronenwellen. In: Zeitschrift für Physik.Nr.145, 1956,S.377–397 ().

Elektron
elektron, negativ, geladenes, elementarteilchen, sprache, beobachten, bearbeiten, dieser, artikel, befasst, sich, elementarteilchen, weitere, bedeutungen, unter, begriffsklärung, ˈeːlɛktrɔn, eˈlɛk, elɛkˈtroːn, altgriechisch, ἤλεκτρον, élektron, bernstein, elek. Elektron negativ geladenes Elementarteilchen Sprache Beobachten Bearbeiten Dieser Artikel befasst sich mit dem Elementarteilchen Weitere Bedeutungen unter Elektron Begriffsklarung Das Elektron ˈeːlɛktrɔn eˈlɛk elɛkˈtroːn von altgriechisch ἤlektron elektron Bernstein an dem Elektrizitat schon in der Antike untersucht wurde 1874 von Stoney und Helmholtz gepragt 9 ist ein negativ geladenes Elementarteilchen Sein Symbol ist e Die alternative Bezeichnung Negatron aus negative Ladung und Elektron wird kaum noch verwendet und ist allenfalls in der Beta Spektroskopie gebrauchlich Elektron e KlassifikationElementarteilchen Fermion LeptonEigenschaftenelektrische Ladung 1 e 1 602 176 634 10 19 1 CMasse 5 485 799 090 65 16 10 4 2 u 9 109 383 7015 28 10 31 3 kgRuheenergie 0 510 998 950 00 15 4 MeVCompton Wellenlange 2 426 310 238 67 73 10 12 5 mmagnetisches Moment 9 284 764 7043 28 10 24 6 J Tg Faktor 2 002 319 304 362 56 35 7 gyromagnetisches Verhaltnis 1 760 859 630 23 53 1011 8 s 1 T 1Spin 1 2mittlere Lebensdauer stabilWechselwirkungen schwach elektromagnetisch Gravitation Die in einem Atom oder Ion gebundenen Elektronen bilden dessen Elektronenhulle Die gesamte Chemie beruht im Wesentlichen auf den Eigenschaften und Wechselwirkungen dieser gebundenen Elektronen In Metallen ist ein Teil der Elektronen frei beweglich und bewirkt die hohe elektrische Leitfahigkeit metallischer Leiter Dies ist die Grundlage der Elektrotechnik und der Elektronik In Halbleitern ist die Zahl der beweglichen Elektronen und damit die elektrische Leitfahigkeit leicht zu beeinflussen sowohl durch die Herstellung des Materials als auch spater durch aussere Einflusse wie Temperatur elektrische Spannung Lichteinfall etc Dies ist die Grundlage der Halbleiterelektronik Aus jedem Material konnen bei starker Erhitzung oder durch Anlegen eines starken elektrischen Feldes Elektronen austreten Gluhemission Feldemission Als freie Elektronen konnen sie dann im Vakuum durch weitere Beschleunigung und Fokussierung zu einem Elektronenstrahl geformt werden Dies hat die Entwicklung von Kathodenstrahlrohren CRTs fur Oszilloskope Fernseher und Computermonitore ermoglicht Weitere Anwendungen freier Elektronen sind z B die Rontgenrohre das Elektronenmikroskop das Elektronenstrahlschweissen physikalische Grundlagenforschung mittels Teilchenbeschleunigern und die Erzeugung von Synchrotronstrahlung fur Forschungs und technische Zwecke Beim Beta Minus Zerfall eines Atomkerns wird ein Elektron neu erzeugt und ausgesandt Der experimentelle Nachweis des Elektrons gelang erstmals Emil Wiechert 10 im Jahre 1897 und wenig spater Joseph John Thomson 11 Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte der Entdeckung des Elektrons 2 Eigenschaften 3 Klassischer Radius und Punktformigkeit 4 Wirkungsquerschnitt 5 Wechselwirkungen 6 Experimente 7 Freie Elektronen 8 Weblinks 9 EinzelnachweiseGeschichte der Entdeckung des ElektronsDas Konzept einer kleinsten unteilbaren Menge der elektrischen Ladung wurde um die Mitte des 19 Jahrhunderts verschiedentlich vorgeschlagen unter anderen von Richard Laming Wilhelm Weber und Hermann von Helmholtz 12 George Johnstone Stoney schlug 1874 die Existenz elektrischer Ladungstrager vor die mit den Atomen verbunden sein sollten Ausgehend von der Elektrolyse schatzte er die Grosse der Elektronenladung ab erhielt allerdings einen um etwa den Faktor 20 zu niedrigen Wert 13 Beim Treffen der British Association 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 14 15 Stoney pragte auch gemeinsam mit Helmholtz den Namen electron fur das Atom der Elektrizitat 16 Emil Wiechert fand 1897 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 unabhangig vom Kathodenmaterial und vom Restgas in der Kathodenstrahlrohre immer um die gleichen Teilchen handelt 17 In dieser Zeit wurde anhand des Zeeman Effektes nachgewiesen dass diese Teilchen auch im Atom vorkommen und dort die Lichtemission verursachen Damit war das Elektron als Elementarteilchen identifiziert Die Elementarladung wurde 1909 durch Robert Millikan gemessen EigenschaftenDas Elektron ist das leichteste der elektrisch geladenen Elementarteilchen Wenn die Erhaltungssatze fur Ladung und Energie gelten was aller physikalischen Erfahrung entspricht mussen Elektronen daher stabil sein In der Tat gibt es bisher keinerlei experimentellen Hinweis auf einen Elektronenzerfall Das Elektron gehort zu den Leptonen und hat wie alle Leptonen einen Spin genauer Spinquantenzahl von 1 2 Als Teilchen mit halbzahligem Spin gehort es zur Klasse der Fermionen unterliegt also insbesondere dem Pauli Prinzip Sein Antiteilchen ist das Positron Symbol e mit dem es bis auf seine elektrische Ladung in allen Eigenschaften ubereinstimmt Einige der Grundeigenschaften des Elektrons die in der oben stehenden Tabelle aufgelistet sind werden durch das magnetische Moment des Elektronenspins miteinander verknupft m s g s e 2 m e s displaystyle vec mu mathrm s g mathrm s frac e 2m mathrm e vec s Dabei ist m s displaystyle vec mu mathrm s das magnetische Moment des Elektronenspins m e displaystyle m mathrm e die Masse des Elektrons e displaystyle e seine Ladung und s displaystyle vec s der Spin g s displaystyle g mathrm s heisst Lande oder g Faktor Der Term vor s displaystyle vec s der das Verhaltnis des magnetischen Moments zum Spin beschreibt wird als gyromagnetisches Verhaltnis des Elektrons bezeichnet Fur das Elektron ware nach der Dirac Theorie relativistische Quantenmechanik g s displaystyle g mathrm s exakt gleich 2 Effekte die erst durch die Quantenelektrodynamik erklart werden bewirken jedoch eine messbare geringfugige Abweichung von 2 Diese Abweichung wird als anomales magnetisches Moment des Elektrons bezeichnet Standardmodell der Elementarteilchen die 12 Grundfermionen und 5 Grundbosonen das Elektron reiht sich unter den Leptonen einKlassischer Radius und PunktformigkeitKurz nach der Entdeckung des Elektrons versuchte man seine Ausdehnung abzuschatzen insbesondere wegen der klassischen Vorstellung kleiner Billardkugeln die bei Streuexperimenten aufeinanderstossen Die Argumentation lief darauf hinaus dass die Konzentration der Elektronenladung auf eine sehr kleine Ausdehnung des Elektrons Energie benotige die nach dem Aquivalenzprinzip in der Masse des Elektrons stecken musse Unter der Annahme dass die Energie E Ruhe m e c 2 displaystyle E text Ruhe m mathrm e c 2 eines Elektrons in Ruhe gleich der doppelten Selbstenergie e 2 4 p e 0 r e displaystyle frac e 2 4 pi varepsilon 0 r mathrm e der Elektronenladung im eigenen elektrischen Feld sei erhalt man den klassischen Elektronenradius r e e 2 4 p e 0 m e c 2 a 2 a 0 2 817 940 3262 13 10 15 m displaystyle r mathrm e frac e 2 4 pi varepsilon 0 m mathrm e c 2 alpha 2 a 0 2 817 940 3262 13 cdot 10 15 mathrm m 18 e displaystyle e Elementarladung p displaystyle pi Kreiszahl e 0 displaystyle varepsilon 0 Elektrische Feldkonstante m e displaystyle m mathrm e Elektronenmasse c displaystyle c Lichtgeschwindigkeit a displaystyle alpha Feinstrukturkonstante a 0 displaystyle a 0 Bohrscher Radius Die Selbstenergie trennt dabei gedanklich elektrische Ladung und elektrisches Feld des Elektrons Setzt man die Ladung e in das Potential ϕ r 1 4 p e 0 e r displaystyle phi r tfrac 1 4 pi varepsilon 0 cdot tfrac e r wobei man zum Beispiel ein zweites Elektron gleichmassig auf eine Kugeloberflache vom Radius r e displaystyle r mathrm e verteilt denkt so ist dafur Energie notig die Selbstenergie eines einzigen Elektrons betragt hiervon die Halfte Es gab jedoch durchaus auch andere Herleitungen fur eine mogliche Ausdehnung des Elektrons die auf andere Werte kamen 19 20 21 22 Heute ist die Sichtweise bezuglich einer Ausdehnung des Elektrons eine andere In den bisher moglichen Experimenten zeigen Elektronen weder Ausdehnung noch innere Struktur und konnen insofern als punktformig angenommen werden Die experimentelle Obergrenze fur die Grosse des Elektrons liegt derzeit bei etwa 10 19 m Dennoch tritt der klassische Elektronenradius r e displaystyle r mathrm e in vielen Formeln auf in denen aus den feststehenden Eigenschaften des Elektrons eine Grosse der Dimension Lange oder Flache etc gebildet wird um experimentelle Ergebnisse erklaren zu konnen Z B enthalten die theoretischen Formeln fur die Wirkungsquerschnitte des Photo und des Compton Effekts das Quadrat von r e displaystyle r mathrm e Auch die Suche nach einem elektrischen Dipolmoment des Elektrons blieb bisher ohne positiven Befund Ein Dipolmoment wurde entstehen wenn bei einem nicht punktformigen Elektron der Schwerpunkt der Masse nicht gleichzeitig der Schwerpunkt der Ladung ware So etwas wird von Theorien der Supersymmetrie die uber das Standardmodell der Elementarteilchen hinausgehen vorhergesagt es wurde die T Symmetrie verletzen zur Begrundung siehe Elektrisches Dipolmoment des Neutrons Eine Messung im Oktober 2013 23 die das starke elektrische Feld in einem polaren Molekul ausnutzt hat ergeben dass ein eventuelles Dipolmoment mit einem Konfidenzniveau von 90 nicht grosser als 8 7 10 31 e displaystyle e m ist Anschaulich bedeutet das dass Ladungs und Massenmittelpunkt des Elektrons nicht weiter als etwa 10 30 m auseinanderliegen konnen Theoretische Ansatze nach denen grossere Werte vorhergesagt wurden sind damit widerlegt WirkungsquerschnittVon der eventuellen Ausdehnung des Elektrons zu unterscheiden ist sein Wirkungsquerschnitt fur Wechselwirkungsprozesse Bei der Streuung von Rontgenstrahlen an Elektronen erhalt man z B einen Streuquerschnitt von etwa p r e 2 displaystyle pi r e 2 was der Kreisflache mit dem oben beschriebenen klassischen Elektronenradius r e displaystyle r e entsprache Im Grenzfall grosser Wellenlangen d h kleiner Photonenenergien steigt der Streuquerschnitt auf 8 3 p r e 2 displaystyle 8 3 pi r e 2 siehe Thomson Streuung und Compton Effekt WechselwirkungenViele physikalische Erscheinungen wie Elektrizitat Elektromagnetismus und elektromagnetische Strahlung beruhen im Wesentlichen auf Wechselwirkungen von Elektronen Elektronen in einem elektrischen Leiter werden durch ein sich anderndes Magnetfeld verschoben und es wird eine elektrische Spannung induziert Die Elektronen in einem stromdurchflossenen Leiter erzeugen ein Magnetfeld Ein beschleunigtes Elektron naturlich auch beim Fall der krummlinigen Bewegung emittiert Photonen die sogenannte Bremsstrahlung Hertzscher Dipol Synchrotronstrahlung Freie Elektronen Laser In einem Festkorper erfahrt das Elektron Wechselwirkungen mit dem Kristallgitter Sein Verhalten lasst sich dann beschreiben indem statt der Elektronenmasse die abweichende effektive Masse verwendet wird die auch abhangig von der Bewegungsrichtung des Elektrons ist Elektronen die sich in polaren Losungsmitteln wie Wasser oder Alkoholen von ihren Atomen gelost haben werden als solvatisierte Elektronen bezeichnet Bei Losung von Alkalimetallen in Ammoniak sind sie fur die starke Blaufarbung verantwortlich Ein Elektron ist ein Quantenobjekt das heisst bei ihm liegt die durch die Heisenbergsche Unscharferelation beschriebene Orts und Impulsunscharfe im messbaren Bereich so dass wie bei Licht sowohl Wellen als auch Teilcheneigenschaften beobachtet werden konnen 24 was auch als Welle Teilchen Dualismus bezeichnet wird In einem Atom kann das Elektron als stehende Materiewelle betrachtet werden ExperimenteDas Verhaltnis e m der 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 vernachlassigbar klein gegenuber der Lichtgeschwindigkeit ist muss der nichtlineare Beitrag zum Impuls nach der Relativitatstheorie berucksichtigt werden Elektronen mit ihrer geringen Masse lassen sich relativ leicht auf so hohe Geschwindigkeiten beschleunigen schon mit einer kinetischen Energie von 80 keV hat ein Elektron die halbe Lichtgeschwindigkeit Der Impuls lasst sich durch die Ablenkung in einem Magnetfeld messen Die Abweichung des Impulses vom nach klassischer Mechanik berechneten Wert wurde zuerst von Walter Kaufmann 1901 nachgewiesen und nach der Entdeckung der Relativitatstheorie zunachst mit dem Begriff der relativistischen Massenzunahme beschrieben der aber inzwischen als uberholt angesehen wird Freie Elektronen Fluoreszenz durch Elektronen in einer Schattenkreuzrohre In der Kathodenstrahlrohre Braunsche Rohre treten Elektronen aus einer beheizten Gluhkathode 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 und senkrecht zur augenblicklichen Flugrichtung abgelenkt Lorentzkraft Diese Eigenschaften der Elektronen haben erst die Entwicklung des Oszilloskops des Fernsehers und des Computermonitors ermoglicht Weitere Anwendungen freier Elektronen sind z B die Rontgenrohre das Elektronenmikroskop das Elektronenstrahlschweissen physikalische Grundlagenforschung mittels Teilchenbeschleunigern und die Erzeugung von Synchrotronstrahlung fur Forschungs und technische Zwecke Siehe dazu Elektronenstrahltechnik Weblinks Wiktionary Elektron Bedeutungserklarungen Wortherkunft Synonyme Ubersetzungen Commons Elektronen Sammlung von Bildern Videos und Audiodateien The Problem of Mass for Quarks and Leptons Vortrag englisch von Harald Fritzsch am 22 Marz 2000 im Kavli Institute for Theoretical Physics Vortragsunterlagen 43 S Audioaufzeichnung 82 min 10 MB Einzelnachweise CODATA Recommended Values National Institute of Standards and Technology abgerufen am 20 Mai 2019 Elementarladung in C exakt CODATA Recommended Values National Institute of Standards and Technology abgerufen am 20 Mai 2019 Elektronenmasse in u Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes diese Unsicherheit ist als geschatzte Standardabweichung des angegebenen Zahlenwertes vom tatsachlichen Wert angegeben CODATA Recommended Values National Institute of Standards and Technology abgerufen am 20 Mai 2019 Elektronenmasse in kg Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes diese Unsicherheit ist als geschatzte Standardabweichung des angegebenen Zahlenwertes vom tatsachlichen Wert angegeben CODATA Recommended Values National Institute of Standards and Technology abgerufen am 20 Mai 2019 Elektronenmasse in MeV c2 Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes diese Unsicherheit ist als geschatzte Standardabweichung des angegebenen Zahlenwertes vom tatsachlichen Wert angegeben CODATA Recommended Values National Institute of Standards and Technology abgerufen am 20 Mai 2019 Compton Wellenlange Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes diese Unsicherheit ist als geschatzte Standardabweichung des angegebenen Zahlenwertes vom tatsachlichen Wert angegeben CODATA Recommended Values National Institute of Standards and Technology abgerufen am 3 August 2019 Magnetisches Moment Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes diese Unsicherheit ist als geschatzte Standardabweichung des angegebenen Zahlenwertes vom tatsachlichen Wert angegeben CODATA Recommended Values National Institute of Standards and Technology abgerufen am 20 Mai 2019 g Faktor Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes diese Unsicherheit ist als geschatzte Standardabweichung des angegebenen Zahlenwertes vom tatsachlichen Wert angegeben CODATA Recommended Values National Institute of Standards and Technology abgerufen am 20 Mai 2019 Gyromagnetisches Verhaltnis Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes diese Unsicherheit ist als geschatzte Standardabweichung des angegebenen Zahlenwertes vom tatsachlichen Wert angegeben Karoly Simonyi Kulturgeschichte der Physik Harri Deutsch Thun Frankfurt a M 1995 ISBN 3 8171 1379 X S 380 H Rechenberg The electron in physics selection from a chronology of the last 100 years In European Journal of Physics Band 18 3 1997 S 145 J J Thomson Cathode Rays In Philosophical Magazine Band 44 1897 S 293 J J Thomson 1856 1940 Cathode Rays Fehler in Vorlage Literatur Ungultig Unerlaubte Klammerung innerhalb Klammer Theodore Arabatzis Representing Electrons A Biographical Approach to Theoretical Entities University of Chicago Press 2006 ISBN 0 226 02421 0 S 70 f englisch eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche Abraham Pais Inward Bound S 74 On the physical units of Nature veroffentlicht erst 1881 Philosophical Magazine Band 11 1881 S 381 Trans Royal Dublin Society Band 4 S 583 Karoly Simonyi Kulturgeschichte der Physik Harri Deutsch Thun Frankfurt a M 1995 ISBN 3 8171 1379 X S 380 Encyclopedia Britannica 1911 Artikel Electron CODATA Recommended Values National Institute of Standards and Technology abgerufen am 20 Mai 2019 Klassischer Elektronenradius Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes diese Unsicherheit ist als geschatzte Standardabweichung des angegebenen Zahlenwertes vom tatsachlichen Wert angegeben W Finkelburg Einfuhrung in die Atomphysik Springer 1976 Dieter Meschede Gerthsen Physik 22 Aufl Berlin Springer 2004 Springer Lehrbuch Seite 592 und Aufgabe 17 4 5 Seite 967 Paul Huber und Hans H Staub Atomphysik Einfuhrung in die Physik Band 3 Teil 1 Basel Reinhardt 1970 Seite 170 Richard Feynman Lectures on Physics Vol 1 Mechanics Radiation and Heat Addison Wesley 1966 Gleichung 32 11 Seite 32 4 Clara Moskowitz Zu rund fur die Supersymmetrie 15 November 2013 abgerufen am 19 November 2013 G Mollenstedt und H Duker Beobachtungen und Messungen an Biprisma Interferenzen mit Elektronenwellen In Zeitschrift fur Physik Nr 145 1956 S 377 397 frei zuganglich nach Anmeldung Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Elektron amp oldid 214385964, wikipedia, wiki, deutsches

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