Ein Elektron ist ein subatomares Teilchen mit einer negativen elektrischen Ladung, die der positiven Ladung eines Protons gleich, aber entgegengesetzt ist. Diese beiden Teilchen bilden zusammen mit Neutronen Atome, wobei sich die Protonen und Neutronen im Kern befinden und die Elektronen in den umgebenden Orbitalen, die durch die elektromagnetische Kraft an Ort und Stelle gehalten werden. Sie sind an der chemischen Bindung beteiligt, können als elektrischer Strom durch manche Materialien fließen und sind für die Festigkeit fester Gegenstände verantwortlich. Die Teilchen haben eine winzige Masse, etwa 1/1836stel der Masse eines Protons, und gelten als fundamental, d. h. sie bestehen nicht aus kleineren Komponenten.
Obwohl es oft bequem ist, sich Elektronen als winzige, punktförmige Teilchen vorzustellen, können sie sich wie andere subatomare Teilchen manchmal wie Wellen verhalten. Dies wird als Welle-Teilchen-Dualität bezeichnet. Da niemand ein Elektron tatsächlich sehen kann, selbst mit den leistungsstärksten und empfindlichsten verfügbaren Instrumenten, ist es nur möglich, Modelle zu konstruieren, um zu versuchen, sein Verhalten zu erklären. In manchen Fällen funktioniert ein „Partikel“-Modell am besten und in anderen ein „Wellen“-Modell. Meistens werden diese Entitäten jedoch als Partikel bezeichnet.
Elektronen im Alltag
Elektronen spielen eine grundlegende Rolle bei allem, was der Mensch tagtäglich erlebt. Ihre gegenseitige elektrische Abstoßung verhindert, dass feste Objekte sich gegenseitig durchdringen, obwohl die Atome, aus denen die Objekte bestehen, meist leerer Raum sind. Diese Teilchen sind auch dafür verantwortlich, dass sich Atome zu den Molekülen verbinden, aus denen die Erde und das Leben selbst bestehen. Moderne Zivilisation und Technologie sind stark von Elektrizität abhängig, die die Bewegung von Elektronen beinhaltet.
Atome, Elemente und Moleküle
Die Eigenschaften der chemischen Elemente hängen von der Anzahl ihrer Elektronen und ihrer Anordnung im Atom ab. Diese Faktoren bestimmen, wie sich Atome eines Elements mit anderen Atomen verbinden, um Moleküle zu bilden. Wenn sich Atome verbinden, tun sie dies so, dass ein niedrigeres Energieniveau erreicht wird. Man kann sich die Elektronen so vorstellen, dass sie in konzentrischen Schalen angeordnet sind, jede mit einer maximalen Anzahl, die sie enthalten kann. Normalerweise wird der niedrigste Energiezustand zwischen zwei Atomen erreicht, wenn beide in der Lage sind, ihre äußersten Schalen zu füllen.
Es gibt zwei Möglichkeiten, wie sich Atome miteinander verbinden oder eine chemische Bindung eingehen können. Bei der Ionenbindung gibt ein Atom ein oder mehrere Elektronen an ein anderes Atom eines anderen Elements ab, normalerweise so, dass beide eine vollständige äußere Hülle erreichen. Da ein Atom normalerweise die gleiche Anzahl von Elektronen wie Protonen hat, ist es elektrisch neutral, aber wenn man etwas verliert oder gewinnt, wird es positiv oder negativ geladen und bildet ein Ion. Ein Metall neigt dazu, Elektronen an ein Nichtmetall abzugeben, um eine ionische Verbindung zu bilden. Das Molekül wird durch die elektrische Anziehung zwischen dem positiv geladenen Metall und dem negativ geladenen Nichtmetall zusammengehalten.
In einer kovalenten Bindung – die sich zwischen Nichtmetallen bildet – verbinden sich Atome, indem sie Elektronen teilen, um einen niedrigeren Energiezustand zu erreichen, normalerweise wiederum durch Auffüllen ihrer äußeren Hüllen. Zum Beispiel kann ein Kohlenstoffatom, das viermal weniger als eine vollständige äußere Hülle ist, mit vier Wasserstoffatomen kovalente Bindungen eingehen, von denen jedes ein Elektron kurz ist, und so ein Methanmolekül (CH4) bilden. Auf diese Weise teilen sich alle fünf Atome eine vollständige Schale. Kovalente Bindungen halten die lebenswichtigen komplexen organischen Moleküle zusammen.
Elektrizität
Die Bewegung von Elektronen von einem Ort zum anderen manifestiert sich als Elektrizität. Dies kann in Form von „statischer“ Elektrizität geschehen, bei der Reibung dazu führt, dass sich diese Partikel von einem Material zum anderen bewegen, wobei beide elektrisch geladen bleiben und eine Anziehungskraft auf andere Objekte ausüben können. Dies wurde erstmals im antiken Griechenland dokumentiert, als der Effekt durch Reiben von Bernstein mit Fell erzeugt wurde. Das Wort Elektron kommt tatsächlich vom griechischen Wort für Bernstein.
Ein als Van-de-Graff-Generator bezeichnetes Gerät nutzt diesen Effekt, um sehr hohe Spannungen zu erzeugen, die große Funken erzeugen können.
Die bekannteste Form der Elektrizität ist jedoch der elektrische Strom, der Haushalten und Industrie zugeführt wird, um Licht und Wärme bereitzustellen und verschiedene Geräte und Prozesse anzutreiben. Es besteht aus einem Elektronenfluss durch ein geeignetes Material, den sogenannten Leiter. Die besten Leiter sind Metalle, weil ihre äußeren Elektronen locker gehalten werden und sich leicht bewegen können. Die Bewegung eines Leiters in einem Magnetfeld kann einen Elektronenfluss in ihm erzeugen, ein Effekt, der bei der groß angelegten Stromerzeugung genutzt wird.
Geschichte
Die Idee, dass Elektrizität in kleinen, unteilbaren Einheiten vorkommen könnte, gab es seit Anfang bis Mitte des 19. Jahrhunderts, aber 1894 verwendete der irische Physiker G. Johnstone Stoney zum ersten Mal den Begriff Elektron, um die postulierte Grundeinheit der negativen elektrischen Ladung zu beschreiben . Drei Jahre später identifizierte es der britische Physiker JJ Thompson als subatomares Teilchen. Erst 1909 wurde seine Ladung von Robert Andrews Millikan, einem amerikanischen Experimentalphysiker, durch ein geniales Experiment gemessen, das Physikstudenten gut bekannt war. Er suspendierte Öltröpfchen unterschiedlicher Größe in einem einstellbaren elektrischen Feld und berechnete die Ladungsmengen, die erforderlich sind, um zu verhindern, dass sie durch die Schwerkraft fallen. Es stellte sich heraus, dass die Werte alle Vielfache derselben winzigen Einheit waren, nämlich der Ladung eines einzelnen Elektrons.