Elektron — Eigenschaften, Geschichte und Bedeutung

Elektronen haben die geringste elektrische Ladung. Diese elektrische Ladung ist gleich der Ladung eines Protons, hat aber das entgegengesetzte Vorzeichen. Aus diesem Grund werden Elektronen von den Protonen der Atomkerne angezogen und bilden in der Regel Atome. Ein Elektron hat eine Masse von etwa 1/1836 mal einem Proton.

Eine Möglichkeit, über die Lage der Elektronen in einem Atom nachzudenken, besteht darin, sich vorzustellen, dass sie in festen Abständen vom Kern kreisen. Auf diese Weise existieren die Elektronen in einem Atom in einer Anzahl von Elektronenhüllen, die den zentralen Kern umgeben. Jede Elektronenhülle erhält eine Zahl 1, 2, 3 usw., beginnend mit der dem Kern am nächsten liegenden (der innersten Schale). Jede Schale kann bis zu einer bestimmten maximalen Anzahl von Elektronen aufnehmen. Die Verteilung der Elektronen in den verschiedenen Schalen wird als elektronische Anordnung (oder elektronische Form oder Gestalt) bezeichnet. Die elektronische Anordnung kann durch eine Nummerierung oder ein Elektronendiagramm dargestellt werden. (Eine andere Art, über die Lage der Elektronen nachzudenken, ist die Quantenmechanik zur Berechnung ihrer Atomorbitale).

Das Elektron gehört zu einer Art von subatomaren Teilchen, die Leptonen genannt werden. Das Elektron hat eine negative elektrische Ladung. Das Elektron hat eine weitere Eigenschaft, die als Spin bezeichnet wird. Sein Spin-Wert beträgt 1/2, was es zu einem Fermion macht.

Während sich die meisten Elektronen in Atomen befinden, bewegen sich andere unabhängig voneinander in der Materie oder zusammen als Kathodenstrahlen im Vakuum. In einigen Supraleitern bewegen sich die Elektronen paarweise. Wenn Elektronen fließen, wird dieser Fluss als Elektrizität oder elektrischer Strom bezeichnet.

Ein Objekt kann als "negativ geladen" beschrieben werden, wenn es in einem Objekt mehr Elektronen als Protonen gibt, oder als "positiv geladen", wenn es mehr Protonen als Elektronen gibt. Elektronen können sich von einem Objekt zu einem anderen bewegen, wenn sie berührt werden. Sie können von einem anderen Objekt mit entgegengesetzter Ladung angezogen oder abgestoßen werden, wenn sie beide die gleiche Ladung haben. Wenn ein Objekt "geerdet" ist, gehen die Elektronen aus dem geladenen Objekt in die Erde und machen das Objekt neutral. Dies ist die Funktion von Blitzableitern (Blitzableiter).

Chemische Reaktionen

Elektronen in ihren Schalen um ein Atom sind die Grundlage chemischer Reaktionen. Vollständige äußere Schalen mit einem Maximum an Elektronen sind weniger reaktiv. Äußere Schalen mit weniger als dem Maximum an Elektronen sind reaktiv. Die Anzahl der Elektronen in Atomen ist die dem chemischen Periodensystem zugrunde liegende Basis.

Messung

Elektrische Ladung kann direkt mit einem Gerät namens Elektrometer gemessen werden. Elektrischer Strom kann direkt mit einem Galvanometer gemessen werden. Die Messung mit einem Galvanometer unterscheidet sich von der Messung mit einem Elektrometer. Heutzutage sind Laborgeräte in der Lage, einzelne Elektronen aufzunehmen und zu beobachten.

Ein Elektron 'sehen'.

Unter Laborbedingungen können die Wechselwirkungen einzelner Elektronen mit Hilfe von Teilchendetektoren beobachtet werden, die die Messung spezifischer Eigenschaften wie Energie, Spin und Ladung ermöglichen. In einem Fall wurde eine Penning-Falle verwendet, die ein einzelnes Elektron 10 Monate lang enthielt. Das magnetische Moment des Elektrons wurde mit einer Genauigkeit von elf Stellen gemessen, was 1980 eine grössere Genauigkeit als bei jeder anderen physikalischen Konstante war.

Die ersten Videobilder der Energieverteilung eines Elektrons wurden von einem Team an der Universität Lund in Schweden im Februar 2008 aufgenommen. Die Wissenschaftler verwendeten extrem kurze Lichtblitze, so genannte Attosekunden-Impulse, mit denen die Bewegung eines Elektrons zum ersten Mal beobachtet werden konnte. Auch die Verteilung der Elektronen in festen Materialien kann visualisiert werden.

Anti-Partikel

Das Antiteilchen des Elektrons wird als Positron bezeichnet. Dieses ist identisch mit dem Elektron, trägt aber elektrische und andere Ladungen mit entgegengesetztem Vorzeichen. Wenn ein Elektron mit einem Positron kollidiert, können sie sich gegenseitig streuen oder vollständig vernichtet werden, wobei ein Paar (oder mehr) Gammastrahlenphotonen entstehen.

Die Wirkung von Elektronen war schon lange bekannt, bevor sie erklärt werden konnte. Die alten Griechen wussten, dass das Reiben von Bernstein an Pelz kleine Gegenstände anzog. Jetzt wissen wir, dass das Reiben die Elektronen abstreift, und das gibt dem Bernstein eine elektrische Ladung. Viele Physiker beschäftigten sich mit dem Elektron. J.J. Thomson bewies seine Existenz im Jahre 1897, aber ein anderer Mann gab ihm den Namen "Elektron".

Das Modell geht davon aus, dass die Elektronen unbestimmte Positionen in einer diffusen Wolke um den Atomkern einnehmen.

Das Unschärferelationsprinzip bedeutet, dass eine Person nicht gleichzeitig die Position und das Energieniveau eines Elektrons kennen kann. Diese möglichen Zustände bilden eine Wolke um das Atom. Die Potentialzustände der Elektronen in einem einzelnen Atom bilden eine einzige, gleichförmige Wolke.

• Positron
• Proton
• Neutron