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Atome bestehen aus Protonen, Neutronen und Elektronen. Von diesen drei Teilchen hat das Elektron die kleinste Masse. Hier ist die Definition des Elektrons, zusammen mit seiner Wortherkunft, Geschichte und interessanten Fakten.

Elektron Definition

Ein Elektron ist ein stabiles subatomares Teilchen mit einer negativen elektrischen Ladung. Jedes Elektron trägt eine Einheit negativer Ladung (1,602 x 10-19 Coulomb) und hat eine sehr kleine Masse im Vergleich zu der eines Neutrons oder Protons. Die Masse eines Elektrons beträgt 9,10938 x 10-31 kg. Das ist etwa 1/1836 der Masse eines Protons.

Ein gängiges Symbol für ein Elektron ist e-. Das Antiteilchen des Elektrons, das eine positive elektrische Ladung trägt, wird Positron oder Antielektron genannt. Ein Positron wird mit dem Symbol e+ oder β+ bezeichnet. Wenn ein Elektron und ein Positron zusammenstoßen, werden beide Teilchen annihiliert und Energie in Form von Gammastrahlen freigesetzt.

Wo findet man Elektronen

Elektronen kommen frei in der Natur (freie Elektronen) und gebunden in Atomen vor. Elektronen sind für den negativ geladenen Anteil eines Atoms verantwortlich. In einem Atom umkreisen die Elektronen den positiv geladenen Atomkern.

In Festkörpern sind Elektronen das primäre Mittel zur Stromleitung. Das liegt daran, dass Protonen im Kern gebunden sind und daher nicht so beweglich sind wie Elektronen. In Flüssigkeiten sind die Stromträger häufiger Ionen. Wechselwirkungen zwischen den Elektronen von Atomen und Molekülen führen zu chemischen Reaktionen. Chemische Bindungen entstehen, wenn Elektronen zwischen Atomen ausgetauscht werden.

Geschichte und Wortherkunft

Die Möglichkeit von Elektronen wurde von Richard Laming (1838-1851), dem irischen Physiker G. Johnstone Stoney (1874) und anderen Wissenschaftlern vorausgesagt. Der Begriff „Elektron“ wurde erstmals 1891 von Stoney vorgeschlagen, obwohl das Elektron erst 1897 von dem britischen Physiker J.J. Thomson entdeckt wurde.

Obwohl die Elektronenforschung erst im 19. und 20. Jahrhundert begann, gehen die Wörter „Elektron“ und „Elektrizität“ auf die alten Griechen zurück. Das altgriechische Wort für Bernstein war elektron. Die Griechen bemerkten, dass das Reiben von Fell mit Bernstein dazu führte, dass der Bernstein kleine Objekte anzog. Dies ist das früheste aufgezeichnete Experiment mit Elektrizität. Der englische Wissenschaftler William Gilbert prägte den Begriff „electricus“ für diese anziehende Eigenschaft.

Fakten zum Elektron

• Elektronen werden als eine Art Elementarteilchen betrachtet, da sie nicht aus kleineren Bestandteilen zusammengesetzt sind. Sie gehören zur Familie der Leptonen und haben die kleinste Masse aller geladenen Leptonen oder anderer geladener Teilchen.
• In der Quantenmechanik werden Elektronen als identisch betrachtet, weil keine intrinsische physikalische Eigenschaft verwendet werden kann, um zwischen ihnen zu unterscheiden. Elektronen können die Positionen miteinander tauschen, ohne eine beobachtbare Veränderung in einem System zu verursachen.
• Protonen und Elektronen haben gleiche, aber entgegengesetzte Ladungen. Elektronen werden von positiv geladenen Teilchen, wie z.B. Protonen, angezogen.
• Ob eine Substanz eine elektrische Nettoladung hat oder nicht, wird durch das Gleichgewicht zwischen der Anzahl der Elektronen und der positiven Ladung der Atomkerne bestimmt. Wenn es mehr Elektronen als positive Ladungen gibt, wird ein Stoff als negativ geladen bezeichnet. Gibt es einen Überschuss an Protonen, gilt das Objekt als positiv geladen. Wenn die Anzahl der Elektronen und Protonen ausgeglichen ist, wird ein Material als elektrisch neutral bezeichnet.
• Elektronen in einem Metall verhalten sich wie freie Elektronen und können sich bewegen, um einen Nettoladungsfluss zu erzeugen, der als elektrischer Strom bezeichnet wird. Wenn sich Elektronen (oder Protonen) bewegen, wird ein Magnetfeld erzeugt.
• Elektronen haben sowohl die Eigenschaften von Teilchen als auch von Wellen. Sie können gebeugt werden, wie Photonen, können aber auch miteinander und mit anderen Teilchen zusammenstoßen, wie andere Materie.
• Die Atomtheorie beschreibt, dass Elektronen den Proton/Neutron-Kern eines Atoms in Schalen umgeben. Diese Schalen sind Regionen der Wahrscheinlichkeit. Einige sind kugelförmig, aber auch andere Formen kommen vor. Während es theoretisch möglich ist, ein Elektron im Atomkern zu finden, ist die höchste Wahrscheinlichkeit, eines zu finden, innerhalb seiner Schale.
• Ein Elektron hat einen Spin oder Eigendrehimpuls von 1/2.
• Wissenschaftler sind in der Lage, ein einzelnes Elektron in einem Gerät, das Penning-Falle genannt wird, zu isolieren und einzufangen.
• Aus der Untersuchung einzelner Elektronen haben Forscher herausgefunden, dass der größte Elektronenradius 10-22 Meter beträgt. Da Elektronen sehr klein sind, werden sie wie Punktladungen behandelt, die elektrische Ladungen ohne physikalische Dimensionen sind.
• Materie ist im Universum viel häufiger vorhanden als Antimaterie, aber es könnte einmal eine gleiche Anzahl von Elektronen und Positronen gegeben haben. Nach der Urknalltheorie gewannen Photonen innerhalb der ersten Millisekunde der Explosion genug Energie, um miteinander zu reagieren und Elektron-Positron-Paare zu bilden. Diese Paare annihilierten sich gegenseitig und emittierten dabei Photonen. Aus unbekannten Gründen gab es zu einem bestimmten Zeitpunkt mehr Elektronen als Positronen und mehr Protonen als Antiprotonen. Die überlebenden Protonen, Neutronen und Elektronen begannen miteinander zu reagieren und bildeten Atome.
• Elektronen werden in vielen praktischen Anwendungen eingesetzt. Dazu gehören Elektrizität, Vakuumröhren, Photomultiplier-Röhren, Kathodenstrahlröhren, Teilchenstrahlen für Forschung und Schweißen und der Freie-Elektronen-Laser.