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Elektron als Materiewelle

Das Elektron als Teilchen

Beeindruckende Phänomene, die wir heute als "elektrische" Effekte ansehen, waren schon den Griechen bekannt. Bernstein (griechisch elektron), von Ostseestränden seiner hohen Reinheit und Qualität wegen von griechischen Schiffen nach Athen gebracht, diente nicht nur als schöner Schmuck. Mit einem Tuch gerieben, vermochte er Papierschnitzel in Bewegung zu versetzen, ohne sie zu berühren. Die zugrunde liegende Reibungselektrizität (vgl. Reibungskraft) erlebte bereits im 18. Jahrhundert beeindruckende experimentelle Ausgestaltung, ausgenommen allerdings die Erzeugung konstanter elektrischer Ströme. Für die Zeitgenossen war der Reibungsvorgang vergleichbar mit der Aushebung von feinem Sand und Aufschüttung neben dem Loch. Schob man ihn in das Loch zurück, war der alte Zustand wieder hergestellt.

So erstaunt es nicht, dass bereits 1750 Benjamin Franklin elektrische Ladungen als von Teilchen getragen annahm. Trotz aller Erkenntnisse seitdem und der Atomtheorie des 20. Jahrhunderts fand erst 1989 ein wichtiges Experiment zum Verständnis des Elektrons statt. In ein und demselben Experiment verhielt sich ein einzelnes Elektron zugleich als Teilchen und Welle, auf seiner Teilchenbahn interferierte es mit sich selbst.

Einen ersten Meilenstein zum tieferen Verständnis der Elektrizität setzt das Jahr 1881. George J. Stoney und Heinrich Helmholtz kommen unabhängig voneinander zur gleichen Erkenntnis, dass die bei Elektrolysen beobachtete Gleichheit der jeweils übertragenen Ladungen auf ein Elementarquantum der elektrischen Ladung hindeuten. Für dies Quantum prägt Stoney den Begriff "Elektron", der später nach Entdeckung der Kathodenstrahlen eine inhaltliche Änderung erfuhr.

Abb.1
Historische Kathodenstrahlröhre

Die an der heißen Kathode K austretenden Elektronen werden von den zwei Anoden-Platten A angezogen und beschleunigt. Um einen parallelen Strahlenverlauf zu erzeugen, wirken die beiden Platten zugleich als Kollimator K mittels je eines zentrischen Loches in beiden Anoden-Platten. Derart tritt nach der zweiten Platte ein dünner Strahl von Elektronen aus (blau gezeichnet), der durch die beiden Metallplatten E geht und schließlich auf die Wand des evakuierten Glaskolbens trifft, wo er einen Leuchtfleck erzeugt. Wird an die Platten eine Gleichspannung gelegt, lenkt das erzeugte elektrische Feld den Strahl ab (blau gestrichelt), der Leuchtfleck ist nun verschoben.

Die Kathodenstrahlen ließen sich deuten, wenn das Elektron als Teilchen angenommen wurde. Als wichtige Ergebnisse resultierten seine Ladung und Ruhemasse.

Ladung und Ruhemasse des Elektrons

  • Über die Ablenkung der Elektronen im Magnetfeld1) erhält man das Verhältnis e / m e .
  • Aus dem Millikan-Versuch2) ergibt die Elementarladung e .
  • Division ergibt die Masse des Elektrons m e = e / ( e / m e ) .

Damit ist die Masse des Elektrons als wichtige Teilcheneigenschaft etabliert. Nach Beschleunigung in einem Potenzialgefälle U gewinnt das Elektron kinetische Energie vom Betrag | e U | . Also können Elektronen mit definierter Geschwindigkeit υ erzeugt werden. Eine Vielzahl von Experimenten bestätigt den damit verbundenen Impuls m υ und somit den Teilchencharakter des Elektrons!

1)Das Verhalten freier Elektronen wird in der Lerneinheit "Das Elektron" beschrieben.
2)Der Millikan-Versuch wird in der gleichnamigen Lerneinheit erklärt.
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