Das Verhalten von Elektronen

Überblick

Elektronen sind negativ geladene subatomare Teilchen und werden von der Umlaufbahn des positiv geladenen Kerns angezogen. Man findet sie an Stellen, die mit den Energieniveaus verbunden sind, welche als Schalen bezeichnet werden. Diese sind weiter in Unterschalen und Orbitale innerhalb jeder Schale organisiert.

Elektronen umkreisen den Atomkern

Die Elektronen befinden sich an bestimmten Orten außerhalb des Kerns. Die Schale, in der sich ein Elektron befindet, gibt das allgemeine Energieniveau des Elektrons an. Je näher ein Elektron am Kern liegt, desto weniger Energie besitzt es. Weiter außen liegende Elektronen besitzen hingegen deutlich mehr Energie. Die Unterschale beschreibt den Ort und das Energieniveau des Elektrons genauer. Das Orbital ist die Form der Laufbahn auf der ein Elektron den Atomkern am wahrscheinlichsten umkreist. Die Elektronen, die dem Kern am nächsten sind, haben die geringste Energiemenge. Mit zunehmendem Abstand zwischen Elektron und Kern steigt auch die Energiemenge, die ein Elektron trägt. Weiter vom Kern entfernt gibt es mehr Platz für die Elektronen, so dass äußere Schalen mehr Elektronen aufnehmen können als innere Schalen. Die äußersten Elektronen eines Atoms befinden sich in der sogenannten Valenzschale. Man bezeichnet sie daher als als Valenzelektronen. Diese Elektronen bilden ionische und kovalente Bindungen mit anderen Atomen.

Die Entdeckung des Elektrons

Das Elektron war das erste subatomare Teilchen, das entdeckt wurde. In den späten 1890er Jahren führte J. J. Thomson eine Reihe von Experimenten mit Kathodenstrahlröhren durch, die zur Entdeckung des Elektrons führten.

Eine Kathodenstrahlröhre ist eine Glasröhre mit zwei Elektroden, die an eine Stromquelle angeschlossen sind. Durch ein Vakuum wird der größte Teil der Luft aus dem Inneren der Röhre entfernt. Wenn die Spannung an die Elektroden angelegt wird, wandert ein Partikelstrahl von der negativ geladenen Elektrode (Kathode) zur positiv geladenen Elektrode (Anode). Die Anode hat ein kleines Loch, durch das die Strahlen passieren können. Eine Phosphorschicht am gegenüberliegenden Ende der Röhre glüht, wenn die Kathodenstrahlen darauf treffen.

Thomson richtete den Kathodenstrahl zwischen zwei Metallplatten, eine mit positiver und eine mit negativer Ladung, und maß die Position des Strahls am anderen Ende der Röhre. Als der Strahl den Raum zwischen den beiden Platten durchquerte, wurde er von der negativ geladenen Platte abgelenkt und in Richtung der positiv geladenen Platte geleitet. Gleichartige Ladungen stoßen sich ab während sich entgegengesetzte Ladungen anziehen. Dies deutete also darauf hin, dass die Teilchen, aus denen der Kathodenstrahl besteht, eine negative Ladung aufweisen müssen. Weitere Experimente zur Berechnung des Masse-Ladungs-Verhältnisses der Kathodenteilchen ergaben, dass die Masse jedes einzelnen negativ geladenen Teilchens winzig war und nur etwa 1/2000 der Masse jedes bekannten Atoms ausmachte. Thomson schloss daraus, dass in jedem Atom viele Elektronen vorhanden sein müssen. Später würde die Entdeckung von Protonen und Neutronen die Verteilung der Masse und der gesamten neutralen Ladung eines Atoms erklären.