Elektron

Elektron

Komposition: Elementarteilchen
Familie: Fermion
Gruppe: Lepton
Generation: Zuerst
Interaktion: Schwere , elektromagnetisch, schwach
Antiteilchen: Positron
Theoretisch: G. Johnstone Stoney (1874)
Entdeckt: JJ Tomson (1897)
Masse: 9,1093826 (16) × 10 –31 kg

5,4857990945 (24) × 10 -4 in

1 1822.8884849(8) in
0,510998918(44) MeV/ c zwei

Elektrische Ladung: –1,60217653(14) × 10 –19 C
Drehen: ½

Das Elektron ist ein fundamentales subatomares Teilchen, das ein trägt elektrische Ladung . Es ist ein Spin-½-Lepton, das an elektromagnetischen Wechselwirkungen teilnimmt, und seine Masse beträgt weniger als ein Tausendstel der kleinsten Masse Atom . Seine elektrische Ladung ist per Konvention als negativ definiert, mit einem Wert von –1 in atomaren Einheiten. Elektronen bilden zusammen mit Atomkernen Atome; ihre Wechselwirkung mit benachbarten Kernen ist die Hauptursache für chemische Bindungen.



Überblick

Das Wort Elektron wurde 1891 von George Johnstone Stoney geprägt und leitet sich von dem Begriff ab elektrische Kraft Vorgestellt von Wilhelm Gilbert . Sein Ursprung ist im Griechischen: ήλεκτρον (Elektron), was bedeutet Bernstein . JJ Thomson wird zugeschrieben, als Erster das Ladungs-Masse-Verhältnis gemessen zu haben, und gilt als Entdecker des Elektrons.

Innerhalb eines Atoms umgeben Elektronen einen Kern, der aus besteht Protonen und Neutronen in einer Elektronenkonfiguration. Die Variationen in elektrisches Feld erzeugt durch unterschiedliche Anzahl von Elektronen und ihre Anordnung in Atomen bestimmen die chemischen Eigenschaften der Elemente . Diese Felder spielen eine grundlegende Rolle bei chemischen Bindungen und Chemie .

Elektronen in Bewegung erzeugen einen elektrischen Strom und ein Magnetfeld. Einige Arten von elektrischen Strömen werden bezeichnet Elektrizität .

Unser Verständnis davon, wie sich Elektronen verhalten, hat sich im vergangenen Jahrhundert erheblich verändert, wobei die größten Fortschritte die Entwicklung von Quantenmechanik im 20. Jahrhundert. Dies brachte die Idee des Welle-Teilchen-Dualismus, das heißt, dass Elektronen in unterschiedlichem Maße sowohl wellenartige als auch teilchenartige Eigenschaften aufweisen. Ebenso wichtig ist, dass die Teilchenphysik unser Verständnis darüber erweitert hat, wie das Elektron mit anderen Teilchen interagiert.

Einstufung

Das Elektron gehört zu einer Klasse von subatomaren Teilchen namens Leptonen, von denen angenommen wird, dass sie fundamentale Teilchen sind (das heißt, sie können nicht in kleinere Bestandteile zerlegt werden).

Wie alle Teilchen können auch Elektronen als Wellen wirken. Dies nennt man den Welle-Teilchen-Dualismus, auch bekannt unter dem Begriff Komplementarität geprägt von Nils Bohr und kann mit dem Doppelspaltexperiment demonstriert werden.

Das Antiteilchen eines Elektrons ist das Positron , das die gleiche Masse hat, aber eher positiv als negativ geladen ist. Der Entdecker des Positrons, Carl D. Anderson, schlug vor, Standardelektronen zu nennen Negatron , und verwenden Elektron als Oberbegriff zur Beschreibung sowohl der positiv als auch der negativ geladenen Varianten. Diese Verwendung hat sich nie durchgesetzt und ist heute selten, wenn überhaupt, anzutreffen.

Eigenschaften und Verhalten

Elektronen haben ein Minus elektrische Ladung von −1,6022 × 10 Coulomb, einer Masse von 9,11 × 10 kg basierend auf Ladungs-/Massenmessungen und einer relativistischen Ruhemasse von etwa 0,511 MeV/ c zwei . Die Masse des Elektrons beträgt ca 1 / 1836 von der Masse der Proton . Das gemeinsame Elektronensymbol ist und .

Entsprechend Quantenmechanik können Elektronen durch Wellenfunktionen dargestellt werden, aus denen eine berechnete probabilistische Elektronendichte bestimmt werden kann. Das Orbital jedes Elektrons in einem Atom kann durch eine Wellenfunktion beschrieben werden. Basierend auf der Heisenbergschen Unschärferelation ist die exakte Schwung und Position des tatsächlichen Elektrons können nicht gleichzeitig bestimmt werden. Dies ist eine Einschränkung, die in diesem Fall einfach besagt, dass je genauer wir die Position eines Teilchens kennen, desto weniger genau können wir seinen Impuls kennen und umgekehrt.

Das Elektron hat Spin ½ und ist ein Fermion (es folgt der Fermi-Dirac-Statistik). Zusätzlich zu seinem intrinsischen Drehimpuls hat ein Elektron ein intrinsisches magnetisches Moment entlang seiner Spinachse.

Elektronen in einem Atom sind gebunden zu diesem Atom; Elektronen, die sich frei im Vakuum, im Weltraum oder in bestimmten Medien bewegen frei Elektronen, die zu einem Elektronenstrahl fokussiert werden können. Wenn sich freie Elektronen bewegen, gibt es einen Nettoladungsfluss, dieser Fluss wird als elektrischer Strom bezeichnet. Die Driftgeschwindigkeit von Elektronen in Metalldrähten liegt in der Größenordnung von mm/Stunde. Die Geschwindigkeit, mit der ein Strom an einem Punkt in einem Draht einen Strom in anderen Teilen des Drahts verursacht, beträgt jedoch typischerweise 75 % der Lichtgeschwindigkeit.

In manchen Supraleitern bewegen sich Elektronenpaare als Cooper-Paare, bei denen ihre Bewegung über Gitterschwingungen, die Phononen genannt werden, an benachbarte Materie gekoppelt ist. Der Trennungsabstand zwischen Cooper-Paaren beträgt ungefähr 100 nm. (Rohlf, J.W.)

Ein Körper hat eine elektrische Ladung wenn dieser Körper mehr oder weniger Elektronen hat, als erforderlich sind, um die positive Ladung der Kerne auszugleichen. Bei einem Elektronenüberschuss spricht man von einer negativen Ladung des Objekts. Wenn weniger Elektronen vorhanden sind als Protonen , das Objekt ist positiv geladen. Wenn die Anzahl der Elektronen und die Anzahl der Protonen gleich sind, heben sich ihre Ladungen gegenseitig auf und das Objekt wird als elektrisch neutral bezeichnet. Ein makroskopischer Körper kann durch Reibung durch das Phänomen der Triboelektrizität eine elektrische Ladung entwickeln.

Wenn Elektronen und Positronen kollidieren, vernichten sie sich gegenseitig und erzeugen Paare hoher Energie Photonen oder andere Teilchen. Andererseits können hochenergetische Photonen durch einen als Paarbildung bezeichneten Prozess in ein Elektron und ein Positron umgewandelt werden, jedoch nur in Gegenwart eines geladenen Teilchens in der Nähe, z. B. eines Kerns.

Das Elektron wird derzeit als Fundamentalteilchen oder Elementarteilchen bezeichnet. Es hat keine Unterstruktur (obwohl der britische Physiker Humphrey Maris behauptet, einen Weg gefunden zu haben, das Elektron mithilfe einer Elektronenblase in 'Elektroninos' zu spalten). Daher wird sie der Einfachheit halber normalerweise als punktartige mathematische Punktladung ohne räumliche Ausdehnung definiert oder angenommen. Wenn jedoch ein Testteilchen gezwungen wird, sich einem Elektron zu nähern, messen wir Änderungen seiner Eigenschaften ( aufladen und Masse). Dieser Effekt ist allen Elementarteilchen gemeinsam: Die aktuelle Theorie legt nahe, dass dieser Effekt auf den Einfluss von Vakuumschwankungen in seinem lokalen Raum zurückzuführen ist, sodass die aus beträchtlicher Entfernung gemessenen Eigenschaften als Summe der bloßen Eigenschaften und des Vakuums angesehen werden Effekte (vgl Renormalisierung ).

Der klassische Elektronenradius beträgt 2,8179 × 10 −15 m. Dies ist der Radius, der aus der elektrischen Ladung des Elektrons abgeleitet wird, indem man die klassische Theorie der Elektrodynamik allein verwendet und ignoriert Quantenmechanik . Die klassische Elektrodynamik (Maxwellsche Elektrodynamik) ist das ältere Konzept, das für praktische Anwendungen der Elektrizität, Elektrotechnik, Halbleiterphysik und Elektromagnetik weit verbreitet ist; Die Quantenelektrodynamik hingegen ist nützlich für Anwendungen, die die moderne Teilchenphysik und einige Aspekte der optischen, Laser- und Quantenphysik betreffen.

Basierend auf der aktuellen Theorie kann sich die Geschwindigkeit eines Elektrons nähern, aber niemals erreichen, c (das Lichtgeschwindigkeit In einem Vakuum). Diese Einschränkung wird Einsteins Theorie zugeschrieben Spezielle Relativität die die Lichtgeschwindigkeit als Konstante innerhalb aller Inertialsysteme definiert. Wenn jedoch relativistische Elektronen in ein dielektrisches Medium wie Wasser injiziert werden, ist die lokale Lichtgeschwindigkeit deutlich geringer als c , bewegen sich die Elektronen (vorübergehend) schneller als Licht im Medium. Wenn sie mit dem Medium interagieren, erzeugen sie ein schwaches bläuliches Licht, die so genannte Tscherenkow-Strahlung.

Die Effekte von Spezielle Relativität basieren auf einer Größe, die als γ oder Lorentz-Faktor bekannt ist. γ ist eine Funktion von in , die Geschwindigkeit des Teilchens und c . Es ist definiert als:

  \gamma = 1 / \sqrt{1 - (v^2/c^2)}

Die zum Beschleunigen eines Teilchens notwendige Energie ist γ minus das 1-fache der Ruhemasse. Beispielsweise kann der Linearbeschleuniger in Stanford ein Elektron auf etwa 51 GeV beschleunigen. Das ergibt ein Gamma von 100.000, da die Ruhemasse eines Elektrons 0,51 MeV/ c ² (die relativistische Masse dieses Elektrons ist das 100.000-fache seiner Ruhemasse). Lösen Sie die obige Gleichung für die Geschwindigkeit des Elektrons (und verwenden Sie eine Näherung für große c ) ergibt:

  v = \left(1-\frac{1} {2} \gamma ^{-2}\right)c = 0{,}999\,999\,999\,95\,c.

In der Praxis

Im Universum

Wissenschaftler glauben, dass die Anzahl der vorhandenen Elektronen bekannt ist Universum ist mindestens 10 79 . Diese Zahl entspricht einer durchschnittlichen Dichte von etwa einem Elektron pro Kubikmeter Raum. Astronomen haben festgestellt, dass 90 % der gesamten nachweisbaren Masse im Universum Wasserstoff ist, der aus einem Elektron und einem Proton besteht.

Basierend auf dem klassischen Elektronenradius und unter der Annahme einer dichten Kugelpackung kann berechnet werden, dass die Anzahl der Elektronen, die in das beobachtbare Universum passen würden, in der Größenordnung von 10 liegt 130 .

In der Industrie

Dabei kommen Elektronenstrahlen zum Einsatz Schweißen , Lithographie, Rasterelektronenmikroskope und Transmissionselektronenmikroskope. LEED und RHEED sind ebenfalls wichtige Werkzeuge, bei denen Elektronen verwendet werden.

Sie sind auch das Herzstück von Kathodenstrahlröhren, die in großem Umfang als Anzeigegeräte in Laborinstrumenten, Computermonitoren und Fernsehgeräten verwendet werden. In Photomultiplier-Röhren trifft ein Photon auf die Photokathode und löst eine Elektronenlawine aus, die einen nachweisbaren Strom erzeugt.

Im Labor

Elektronenmikroskope werden verwendet, um Details bis zu 500.000-fach zu vergrößern. Quanteneffekte von Elektronen werden im Rastertunnelmikroskop verwendet, um Merkmale auf atomarer Ebene zu untersuchen.

In der Theorie

Im Relativismus Quantenmechanik , kann das Elektron durch die Dirac-Gleichung beschrieben werden, die das Elektron als (mathematischen) Punkt definiert. In der Quantenfeldtheorie kann das Verhalten des Elektrons durch die Quantenelektrodynamik (QED), eine U(1)-Eichtheorie, beschrieben werden. In Diracs Modell ist ein Elektron definiert als ein mathematischer Punkt, ein punktartiges, geladenes „nacktes“ Teilchen, umgeben von einem Meer von interagierenden Paaren virtueller Teilchen und Antiteilchen. Diese liefern eine Korrektur von knapp über 0,1 % des vorhergesagten Werts des gyromagnetischen Verhältnisses des Elektrons von genau 2 (wie von Diracs Einzelteilchenmodell vorhergesagt). Die außerordentlich genaue Übereinstimmung dieser Vorhersage mit dem experimentell ermittelten Wert gilt als eine der großen Errungenschaften der modernen Physik.

Im Standardmodell der Teilchenphysik ist das Elektron das geladene Lepton der ersten Generation. Es bildet mit dem Elektron-Neutrino ein schwaches Isospin-Dublett; Diese beiden Teilchen interagieren miteinander durch die schwache Wechselwirkung sowohl des geladenen als auch des neutralen Stroms. Das Elektron ist den beiden massereicheren Teilchen höherer Generationen, dem Myon und dem Tau-Lepton, sehr ähnlich, die in Ladung, Spin und Wechselwirkung identisch sind, sich aber in der Masse unterscheiden.

Das Antimaterie-Gegenstück des Elektrons ist das Positron. Das Positron hat die gleiche elektrische Ladung wie das Elektron, außer dass die Ladung positiv ist. Es hat die gleiche Masse und den gleichen Spin wie das Elektron. Wenn ein Elektron und ein Positron aufeinandertreffen, können sie sich gegenseitig vernichten, wodurch zwei Gammastrahlen-Photonen entstehen. Wenn das Elektron und das Positron einen vernachlässigbaren Impuls hätten, hätte jeder Gammastrahl eine Energie von 0,511 MeV. Siehe auch Elektron-Positron-Vernichtung.

Elektronen sind ein Schlüsselelement im Elektromagnetismus, einer Theorie, die für makroskopische Systeme und für die klassische Modellierung mikroskopischer Systeme genau ist.

Geschichte

Das Elektron als Ladungseinheit in der Elektrochemie wurde 1874 von G. Johnstone Stoney postuliert, der auch den Begriff prägte Elektron im Jahr 1894. In den späten 1890er Jahren postulierten eine Reihe von Physikern, dass Elektrizität als aus diskreten Einheiten bestehend betrachtet werden könnte, denen eine Vielzahl von Namen gegeben wurde, aber ihre Realität war nicht überzeugend bestätigt worden.

Die Entdeckung, dass das Elektron ein subatomares Teilchen ist, wurde 1897 von J.J. Thomson am Cavendish Laboratory at Universität von Cambridge , während er Kathodenstrahlröhren studierte. Eine Kathodenstrahlröhre ist ein versiegelter Glaszylinder, in dem zwei Elektroden durch ein Vakuum getrennt sind. Wenn eine Spannung an die Elektroden angelegt wird, werden Kathodenstrahlen erzeugt, die die Röhre zum Leuchten bringen. Durch Experimente entdeckte Thomson, dass die negative Ladung nicht von den Strahlen getrennt werden konnte (durch Anwendung von Magnetismus) und dass die Strahlen durch ein elektrisches Feld abgelenkt werden konnten. Er kam zu dem Schluss, dass diese Strahlen, anstatt Wellen zu sein, aus negativ geladenen Teilchen bestehen, die er „Körperchen“ nannte. Er maß ihr Masse-Ladungs-Verhältnis und stellte fest, dass es über tausendmal kleiner war als das eines Wasserstoffions, was darauf hindeutet, dass sie entweder sehr hoch geladen oder sehr klein waren. Spätere Experimente anderer Wissenschaftler bestätigten die letztere Schlussfolgerung.

Die Ladung des Elektrons wurde von Robert Millikan in seinem Öltropfenexperiment von 1909 sorgfältig gemessen.

Das Periodengesetz besagt, dass sich die chemischen Eigenschaften von Elementen weitgehend periodisch wiederholen und ist die Grundlage des Periodensystem von Elementen. Das Gesetz selbst wurde zunächst durch die Atommasse der Elemente erklärt. Da es jedoch Anomalien im Periodensystem gab, bemühte man sich, eine bessere Erklärung dafür zu finden. 1913 führte Henry Moseley das Konzept der Ordnungszahl ein und erklärte das Periodengesetz in Bezug auf die Anzahl der Protonen, die jedes Element hat. Im selben Jahr, Nils Bohr zeigte, dass Elektronen die eigentliche Grundlage des Tisches sind. 1916 erklärte Gilbert Newton Lewis die chemische Bindung von Elementen durch elektronische Wechselwirkungen.


Quantenelektrodynamik

Elektron | Positron | Photon
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Anomales magnetisches Dipolmoment
bremsstrahlung |  positronium