Elementarladung: Unterschied zwischen den Versionen
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Die '''Elementarladung''' (Symbol: <math>e</math>) ist die kleinste frei existierende [[elektrische Ladung]]smenge. Die Ladung freier Teilchen und von Materiemengen beträgt entweder Null oder ein ganzzahliges (positives oder negatives) Vielfaches von <math>e</math>. So besitzen zum Beispiel das [[Elektron]] und das [[Myon]] die Ladung <math>-e</math>, ein [[Proton]] und ein [[Positron]] besitzen die Ladung <math>+e</math>. Die [[Quark (Physik)|Quarks]] des [[Standardmodell]]s besitzen zwar Ladungen von <math>\pm\tfrac{1}{3} e</math> oder <math>\pm\tfrac{2}{3} e</math>, kommen aber nicht als freie Teilchen vor | Die '''Elementarladung''' (Symbol: <math>e</math>) ist die kleinste frei existierende [[elektrische Ladung]]smenge. Die Ladung freier Teilchen und von Materiemengen beträgt entweder Null oder ein ganzzahliges (positives oder negatives) Vielfaches von <math>e</math>. So besitzen zum Beispiel das [[Elektron]] und das [[Myon]] die Ladung <math>-e</math>, ein [[Proton]] und ein [[Positron]] besitzen die Ladung <math>+e</math>. Die [[Quark (Physik)|Quarks]] des [[Standardmodell]]s besitzen zwar Ladungen von <math>\pm\tfrac{1}{3} e</math> oder <math>\pm\tfrac{2}{3} e</math>, kommen aber nicht als freie Teilchen vor (siehe [[Confinement]]). | ||
Die Elementarladung ist eine [[Physikalische Konstante|Naturkonstante]]. Ihr Wert | Die Elementarladung ist eine [[Physikalische Konstante|Naturkonstante]]. Ihr Wert ist maßgeblich für die Stärke der [[Elektromagnetische Wechselwirkung|elektromagnetischen Wechselwirkung]], siehe [[Feinstrukturkonstante]]. | ||
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== Zusammenhang mit anderen Größen == | == Zusammenhang mit anderen Größen == | ||
Durch Multiplikation der Elementarladung mit der [[Avogadro-Konstante]] ergibt sich die [[Faraday-Konstante]], die in der [[Elektrochemie]] eine Rolle spielt. | Durch Multiplikation der Elementarladung mit der [[Avogadro-Konstante]] ergibt sich die [[Faraday-Konstante]], die in der [[Elektrochemie]] eine Rolle spielt. | ||
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In der Teilchenphysik werden Energien von Teilchen häufig in der Einheit [[Elektronvolt]] (eV) angegeben. Ein Elektronvolt ist die Energie, die eine Elementarladung (z. B. ein Elektron) beim Durchlaufen einer Beschleunigungsspannung von 1 Volt erhält. Es gilt die Umrechnung: | In der Teilchenphysik werden Energien von Teilchen häufig in der Einheit [[Elektronvolt]] (eV) angegeben. Ein Elektronvolt ist die Energie, die eine Elementarladung (z. B. ein Elektron) beim Durchlaufen einer Beschleunigungsspannung von 1 Volt erhält. Es gilt die Umrechnung: | ||
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== Wert in natürlichen Einheiten == | |||
Die Elementarladung gehört nicht zu den Konstanten, die in den [[Natürliche Einheiten#Teilchenphysik|natürlichen Einheiten der Teilchenphysik]] auf 1 gesetzt werden können. Da in diesem System die Konstanten Lichtgeschwindigkeit, reduziertes Plancksches Wirkungsquantum und elektrische Feldkonstante gleich Eins gesetzt werden, <math>c = \hbar = \varepsilon_0 = 1</math>, und die [[Feinstrukturkonstante]] <math>\alpha</math> als [[dimensionslos]]e Größe unabhängig vom verwendeten Einheitensystem ist, ist die Elementarladung durch | |||
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== Geschichte == | |||
Dass die Ladung eine feste kleinste Einheit hat, wurde im 19. Jahrhundert aufgrund elektrochemischer Reaktionen vermutet ([[Faradaysche Gesetze]]). Nachdem [[Josef Loschmidt]] 1865 erstmals die Größe von Luftmolekülen bestimmt hatte, woraus die Avogadro-Konstante abgeleitet werden konnte, gab [[George Johnstone Stoney]] 1874 eine erste Abschätzung für die Elementarladung. Präzise bestimmt wurde die Größe der Elementarladung erstmals von dem Physiker [[Robert Andrews Millikan]] mit dem nach ihm benannten [[Millikan-Versuch|Öltröpfchenversuch]]. Unter anderem für diese Arbeit erhielt Millikan 1923 den Nobelpreis. | |||
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Aktuelle Version vom 18. Februar 2022, 10:47 Uhr
| Physikalische Konstante | |
|---|---|
| Name | Elementarladung |
| Formelzeichen | $ e $ |
| Größenart | Elektrische Ladung |
| Wert | |
| SI | 1.602176634e-19 C |
| Unsicherheit (rel.) | (exakt) |
| Quellen und Anmerkungen | |
| Quelle SI-Wert: CODATA 2018 (Direktlink) | |
Die Elementarladung (Symbol: $ e $) ist die kleinste frei existierende elektrische Ladungsmenge. Die Ladung freier Teilchen und von Materiemengen beträgt entweder Null oder ein ganzzahliges (positives oder negatives) Vielfaches von $ e $. So besitzen zum Beispiel das Elektron und das Myon die Ladung $ -e $, ein Proton und ein Positron besitzen die Ladung $ +e $. Die Quarks des Standardmodells besitzen zwar Ladungen von $ \pm {\tfrac {1}{3}}e $ oder $ \pm {\tfrac {2}{3}}e $, kommen aber nicht als freie Teilchen vor (siehe Confinement).
Die Elementarladung ist eine Naturkonstante. Ihr Wert ist maßgeblich für die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung, siehe Feinstrukturkonstante.
Wert
Der Wert der Elementarladung beträgt[1]
- $ e=1{,}602\,176\,634\cdot 10^{-19}\,\mathrm {C} \, $.
Dieser Wert gilt exakt, weil die Maßeinheit „Coulomb“ seit 2019 dadurch definiert ist, dass der Elementarladung dieser Wert zugewiesen wurde.[2] Zuvor war das Coulomb anders definiert gewesen, und $ e $ war eine experimentell zu bestimmende Größe.
Zusammenhang mit anderen Größen
Durch Multiplikation der Elementarladung mit der Avogadro-Konstante ergibt sich die Faraday-Konstante, die in der Elektrochemie eine Rolle spielt.
- $ F=N_{\mathrm {A} }\cdot e\approx 96\,485\,{\frac {\mathrm {C} }{\mathrm {mol} }}. $
In der Teilchenphysik werden Energien von Teilchen häufig in der Einheit Elektronvolt (eV) angegeben. Ein Elektronvolt ist die Energie, die eine Elementarladung (z. B. ein Elektron) beim Durchlaufen einer Beschleunigungsspannung von 1 Volt erhält. Es gilt die Umrechnung:
- $ 1\,\mathrm {eV} =e\cdot 1\,\mathrm {V} \approx 1{,}602\cdot 10^{-19}\,\mathrm {J} . $
Wert in natürlichen Einheiten
Die Elementarladung gehört nicht zu den Konstanten, die in den natürlichen Einheiten der Teilchenphysik auf 1 gesetzt werden können. Da in diesem System die Konstanten Lichtgeschwindigkeit, reduziertes Plancksches Wirkungsquantum und elektrische Feldkonstante gleich Eins gesetzt werden, $ c=\hbar =\varepsilon _{0}=1 $, und die Feinstrukturkonstante $ \alpha $ als dimensionslose Größe unabhängig vom verwendeten Einheitensystem ist, ist die Elementarladung durch
- $ \alpha ={\frac {e^{2}}{4\pi \varepsilon _{0}\hbar c}}\Leftrightarrow e={\sqrt {4\pi \alpha \varepsilon _{0}\hbar c}} $
eindeutig bestimmt. Man erhält dann
- $ e=0{,}302\,822\,12\ldots $[3]
Geschichte
Dass die Ladung eine feste kleinste Einheit hat, wurde im 19. Jahrhundert aufgrund elektrochemischer Reaktionen vermutet (Faradaysche Gesetze). Nachdem Josef Loschmidt 1865 erstmals die Größe von Luftmolekülen bestimmt hatte, woraus die Avogadro-Konstante abgeleitet werden konnte, gab George Johnstone Stoney 1874 eine erste Abschätzung für die Elementarladung. Präzise bestimmt wurde die Größe der Elementarladung erstmals von dem Physiker Robert Andrews Millikan mit dem nach ihm benannten Öltröpfchenversuch. Unter anderem für diese Arbeit erhielt Millikan 1923 den Nobelpreis.
Weblinks
Einzelnachweise
- ↑ CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 22. Mai 2019. Wert für die Elementarladung in der Einheit Coulomb.
- ↑ Resolution 1 of the 26th CGPM. On the revision of the International System of Units (SI). Bureau International des Poids et Mesures, 2018, abgerufen am 13. September 2021 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 149: attempt to index field 'data' (a nil value)).
- ↑ Siehe z. B. Matthew D. Schwartz, Quantum Field Theory and the Standard Model, 1. Auflage, S. 818