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SG125a Elektronen und Positronen

Photon

Quantenobjekt

Glossar

Physik für Schülerinnen und Schüler

Ein Elektron ist ein Elementarteilchen, das Träger folgender unveränderlicher Eigenschaften ist:

(h = h/2·π ist das Planck'sche Wirkungsquant). Wegen seiner geringen Masse gehört es zu den Leptonen ("leichte Teilchen"), wegen seines halbzahligen Spins zu den Fermionen. Es genügt dem Pauli-Prinzip. Zwei Fermionen nehmen nie den gleichen Zustand an. Man sagt auch "besetzen nie den gleichen Zustand".

Ein Elektron ist ein Quantenteilchen, also ein spezielles Quantenobjekt. Es verhält sich anders als ein klassisches Teilchen. Es besitzt z.B. nicht gleichzeitig Ort und Geschwindigkeit (Impuls) als Eigenschaften. Deshalb kann es sich streng genommen auch nicht auf einer Bahn bewegen. Über Messwerte (lediglich) "klassisch denkbarer physikalischer Größen" lassen sich nur dann be-stimmte Aussagen machen, wenn sie gemessen sind. Andernfalls kann man nur Wahrscheinlichkeitsaussagen über das Eintreten von be-stimmten Messwerten machen, z.B. für Ort und Geschwindigkeit.

Es gibt aber viele Anwendungen, z.B. ein Oszilloskop, bei denen ein Elektron in guter Näherung wie ein klassisches Teilchen behandelt werden kann. Grund ist das so genannte Ehrenfest-Theorem, nach dem sich in vielen Fällen Erwartungswerte (so etwas wie Durchschnittswerte oder Mittelwerte) von Messgrößen bei Quantenteilchen wie in der klassischen Physik verhalten, anders als die Messgrößen selbst.

Die Leuchtspur, die Elektronen in einem Fadenstrahlrohr oder einer Elektronenstrahlablenkröhre hinterlassen, haben mit einer "Bahn" eines Elektrons wenig zu tun. Die Leuchtspur kommt dadurch zustande, dass Elektronen in vielfältiger Weise an Atomen bzw. Molekülen (des Gases beim Fadenstrahlrohr) oder "Atomen" des Leuchtschirms (bei der Elektronenstrahlablenkröhre) gestreut werden. Sie werden dann in einer relativ breiten Zone im Zickzack hin und her gestreut und hinterlassen überall Lichtblitze, die das Auge oder eine Kamera nicht unterscheiden kann. Die meisten Lichtblitze entstehen dann in einer Zone, die ungefähr dort verläuft, wo ein klassisches Teilchen gleicher Ladung und Masse laufen würde.

Ein Elektron hat nach heutiger Kenntnis keine Ausdehnung, also auch keinen Radius. Es muss als punktförmig angesehen werden. Das ist schwer vorzustellen.

Der Spin eines Elektrons wurde früher als Folge einer Eigendrehung einer kugelförmig gedachten Ladung gesehen. Aber was soll die Eigendrehung eines Punktes sein? Leider gibt es keine anschauliche Erklärung für den Elektronenspin. Er kann nur durch die Relativitätstheorie erklärt werden. Es handelt sich lediglich um eine neue Eigenschaft des Elektrons, die sehr einem klassischen Drehimpuls ähnelt, der von einer Eigendrehung herkommen könnte.

Das Elektron besitzt das Positron als Antiteilchen. Es unterscheidet sich vom Elektron allein durch die positive Ladung q = e = 1,6·10-19 A·s.

Es gibt auch noch andere Quantenobjekte, wie z.B. Elektronenzwillinge, die aber nicht aus zwei Elektronen mit individuellen Eigenschaften bestehen. Früher war es üblich, eine "bewegte" oder "relativistische" Masse zu definieren durch m = m0/√[1 - (v/c)2]. Diese ist vom Bezugssystem abhängig und i.A. größer als 0. Hier ist m0 die Ruhemasse.

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( Juni 2014 ; ergänzt Februar 2018)