Die Atombausteine - Aufbau der Elemente

Bernstein und Glas sind von Natur aus ladungsneutral. Reibt man diese Werkstoffe an Wolle oder einem Katzenfell, so wird an ihnen mechanische Energie aufgewendet. Nach ihrer Trennung lassen sich an den Werkstoffen elektrische Ladungen nachweisen. Der Bernstein und der Glasstab haben sich negativ aufgeladen, während auf der Wolle und dem Katzenfell positive Ladungen nachweisbar sind. Das Einwirken mechanischer Energie führt zu einer Ladungstrennung von Ladungsträgern, die von Anbeginn im Material vorhanden sind.

Für Elektrizität gibt es gute und schlechte Leiter, wobei man zwischen Nichtleitern oder Isolatoren, Halbleitern und metallischen Leitern unterscheidet. Unter besonderen Bedingungen lassen sich Supraleiter erzeugen.

Fast alle Materialien bestehen aus Molekülen. Sie sind aus Atomen aufgebaut, einer Anordnung verschiedener Ladungsträger. Die wichtigsten Bausteine des Atomkerns sind die Protonen und Neutronen. Die Ladungsneutralität folgt aus einer bestimmten Anzahl von Elektronen, die den Atomkern mehr oder weniger nahe umgeben. Alle uns bekannten chemisch reinen Elemente setzen sich aus einer charakteristischen Anzahl dieser Kernbausteine zusammen.

Atombaustein Ladung Ruhemasse Eigenschaft
Proton positiv 1,602·10−19 A·s 1,6725·10−24 g stabil
Elektron negativ 1,602·10−19 A·s 0,9109·10−27 g stabil
Neutron neutral 1,6748·10−24 g stabil mit Proton

In Gegenwart der Protonen gelten Neutronen als stabil. Freie Neutronen zerfallen mit einer Halbwertzeit von 12 min in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino. Wie Protonen, so verfügen Neutronen, obgleich diese ungeladen sind, über ein magnetisches Moment. Daraus lässt sich schließen, dass Neutronen eine besondere innere Struktur haben müssen.

Ruheenergie eines Elektrons

In der Teilchenphysik werden Energieangaben oft in der Einheit eV, Elektronenvolt gemacht. Die Angaben zu Einheiten, Zeichen und Namen sind in der DIN 1301-1 genormt festgelegt. Zur Benennung der Ruheenergie eines Elektrons sollte das Elektronvolt [eV] verwendet werden. Es gehört nicht zum Internationalen Einheitensystem, sein Gebrauch im SI-System ist zugelassen.

Albert Einstein formulierte mit E = m·c2 die in der relativistischen Physik bekannten Äquivalenz zwischen Masse und Energie. Damit kann die Ruhemasse eines Elektrons in eine Ruheenergie Gl.(1) umgerechnet werden. Durchläuft ein Elektron ein elektrisches Feld der Spannung 1 Volt, so nimmt seine kinetische Energie um ein Elektronvolt 1 eV zu. Die Ruheenergie eines Elektrons kann mithilfe der Elementarladung in die Einheit Elektronvolt Gl.(2) umgerechnet werden.

Elektronvolt und Ruheenergie