Elementarladung von Elektronen und Protonen [Beispiele, Videos, Grundlagen]

In diesem Kurstext erklären wir dir als angehenden Techniker oder Ingenieur detailliert die Elementarladung [El-Ladung] von Elektron und Proton, wie sie auch im Periodensystem der Elemente (PSE) zu finden ist. Zusätzlich erfährst du, was es mit Quarks auf sich hat und warum sie eine entscheidende Rolle im Verständnis der Elementarteilchenphysik spielen.

Für ein optimales Verständnis helfen dir in diesem Kursabschnitt drei ausführliche Videoclips und zwei anschauliche Rechenbeispiele zu dem Thema.

Mehr zu diesem Thema und der Elektrotechnik findest du im Kurs: ET1-Grundlagen der Elektrotechnik

Periodensystem der Elemente - Elementarladung — Periodensystem der Elemente – Elementarladung

Was ist die Elementarladung?

Definition

Elementarladung

Die Elementarladung bezeichnet die kleinste elektrische Ladungseinheit, die in der Natur existiert. Diese Ladung ist universell und gilt für alle Elementarteilchen, die eine elektrische Ladung tragen. Die El-Ladung wird durch das Symbol e dargestellt und hat den Betrag:

Merk’s dir!

In der Natur existiert kein Teilchen, das eine geringere Ladung, egal ob negativ oder positiv, aufweist als ein Elektron oder Proton. Um dieser minimalen Ladung einen passenden Namen zu geben, nennt man sie Elementare Ladung. So zumindest hat die Fachwelt in der Vergangenheit gedacht. Der Begriff der Elementarladung ergab sich aus der Vorstellung, dass es sich hierbei um die kleinste elektrische Ladung in der Natur handelt. Heute ist man schlauer und weiß, dass ein Quarks mit einem Drittel der Ladung existiert.

Positive wie negative Ladungen treten immer als ganzzahlige Vielfache dieser Ladung auf. Einfach gesprochen, multipliziert du die elementare Ladung immer mit der Anzahl der Protonen oder der Elektronen, so hast du anschließend den Wert der gesamten Ladung.

Elementarladungen – Unterscheidung

Wir unterscheiden Elektronen von Protonen. Hinzu kommen dann noch die Quarks.

Quarks

Anders als das Elektron oder das Proton besitzen Quarks eine geringere Ladung als die elementare Ladung. So weißt das DOWN-Quarks eine Ladung von lediglich $- \frac{1}{3} \cdot e$ auf und das UP-Quarks eine Ladung von $\frac{2}{3} \cdot 3$ .

Merk’s dir!

Falls du jetzt genau aufgepasst hast, dann ist dir bestimmt aufgefallen, dass diese nicht ganzzahlig angenommen werden. Das stimmt aber nur bedingt, da diese immer als Gruppe auftreten und aus der Summe von 2 UP-Quarks und einem DOWN-Quarks ergibt sich wieder das Schema der Ganzzahligkeit.

Elektron

Ein Elektron besitzt eine elementare Ladung von

Elementarladung – Elektron

$Q_E = - 1,602177 \cdot 10^{-19} C$

Millikan-Versuch

Im Jahr 1910 konnte der amerikanische Physiker Robert Andrews Millikan als erster Wissenschaftler mit seinem Öltröpfchenversuch die elementare Ladung eines Elektrons ermitteln und erhielt neben der Namensnennung Millikan-Versuch ebenfalls den Nobelpreis für Physik im Jahre 1923. Seiner Arbeit ging die Entdeckung der spezifischen Elektronenladung durch den britischen Physiker Joseph John Thomson im Jahr 1897 voraus. Ungefähr zeitgleich mit der Entdeckung durch den deutschen Physiker Emil Wiechert.

Robert Andrews Millikan führte 1910 den berühmten Öltröpfchenversuch durch, um die Elementarladung experimentell zu bestimmen. Dabei wurden kleine Öltröpfchen in einem elektrischen Feld beobachtet. Durch die Messung ihrer Bewegung konnte Millikan die Ladung eines einzelnen Elektrons berechnen.

Bedeutung des Experiments

Bestätigung der Quantisierung der Ladung.
Präzise Bestimmung des Werts der Elementarladung.
Nobelpreis für Physik 1923.

Proton

Ein Proton weist eine elementare Ladung von

Elementarladung – Proton

$Q_P = + 1,6 \cdot 10^{-19} C$

auf.

Protonen aus drei Quarks

Nach dem Standardmodell der Elementarteilchen besteht ein Proton aus genau drei Quarks. Diese drei Quarks teilen sich auf in zwei UP-Quark und ein DOWN-Quark. Diesen Sachverhalt kann man auch mathematisch belegen, wie nachfolgend geschehen:

$Q_P = 2 \cdot Q_{up} + 1 \cdot Q_{down}$

$Q_P = 2 \cdot \frac{2}{3} \cdot e + 1 \cdot (-\frac{1}{3}) \cdot e$

$Q_P = (\frac{4}{3} - \frac{1}{3}) \cdot e = + 1 e$

Ladungsbetrag

Beide Ladungen haben den gleichen Betrag nur mit unterschiedlichen Vorzeichen.

Deshalb nennt ein Techniker oder ein Ingenieur diesen Betrag ganz einfach Ladungsbetrag:

Ladungsbetrag

$e = - Q_E = Q_P$

Nun ist es ja so, dass ein Elektron oder Proton noch lange kein Smartphone aufladen kann. Es bedarf viel mehr sehr vielen Elementarladungen um auch weiterhin erreichbar zu sein.

Ladungsmenge von Elektronen und Protonen

Der Techniker/Ingenieur spricht hier von einer Ladungsmenge Q [ohne tiefgestelltes Zeichen]. Diese ist das Produkt aus Ladungsbetrag $e$ und Anzahl der Elementarladungen $n$ .

Also:

Übersicht!

$\text{Ladungsmenge von Elektronen:} Q = - n \cdot e }$

sowie

$\text{Ladungsmenge von Protonen: } Q = + n \cdot e }$

oder

$\text{zusammengefasst: } Q = \pm n \cdot e$

Beispiel: Gesamtladung ermitteln

Problemstellung

Wir haben die Angabe der Anzahl von Ladungen mit $n = 12,48 \cdot 10^{17}$ gegeben. Die Aufgabe besteht nun darin die Gesamtladung zu ermitteln.

Lösung

Wir verwenden unsere bekannte Gleichung $Q = n \cdot e$

Die El-Ladung ist uns mit $e = 1,602 \cdot 10^{-19}$ gegeben.

$Q = (12,48 \cdot 10^{17}) \cdot (1,602 \cdot 10^{-19} )$

$Q = 0,2 C$

Wir erhalten eine Gesamtladung von $Q = 0,2 \ Coulomb$

Anschauliche Beispiele

Beispiel 1: Ladung eines Heliumkerns

Ein Heliumkern () besitzt zwei Protonen und keine Elektronen. Die Gesamtladung ist:

Beispiel 2: Anzahl der Elektronen in 1 Coulomb

Die Anzahl der Elektronen , die zusammen eine Ladung von 1 Coulomb ergeben, ist:

Das bedeutet, es braucht etwa 6,2 Trillionen Elektronen, um eine Ladung von 1 Coulomb zu erzeugen.

Mögliche Fragestellungen | Häufig gestellte Fragen (FAQs)

Was ist die Elementarladung?

Die Elementarladung ist die kleinste in der Natur vorkommende Ladungseinheit und beträgt .

Warum ist die Elementarladung wichtig?

Sie bildet die Grundlage für das Verständnis elektrischer Phänomene und ist essentiell in der Elektrodynamik und Quantenphysik.

Können Quarks einzeln existieren?

Nein, Quarks treten immer in Kombinationen auf, wie z. B. in Protonen oder Neutronen. Diese Eigenschaft nennt man “Confinement”.

Wie wurde die Elementarladung entdeckt?

Durch den Öltröpfchenversuch von Robert Millikan im Jahr 1910.

Warum hat das Elektron eine negative Ladung?

Die negative Ladung des Elektrons ist eine Konvention, die historisch festgelegt wurde und keinen fundamentalen Grund hat.

Zusammenfassung

Die Elementarladung ist eine fundamentale Konstante der Natur und bildet die Grundlage der elektrischen Ladung. Elektronen tragen eine negative Elementarladung, Protonen eine positive. Subatomare Teilchen wie Quarks besitzen Bruchteile der El-Ladung und erklären die Struktur von Protonen und Neutronen. Die Entdeckung der Elementarladung durch Millikan war ein Meilenstein in der Physik und hat unser Verständnis der Materie revolutioniert.

Mit diesem Wissen bist du bestens gerüstet, um die Bedeutung der El-Ladung in der Elektrotechnik und Teilchenphysik zu verstehen.

Was kommt als Nächstes?

Nachdem du nun einiges über Ladungen von Elektron und Proton erfahren hast, macht es Sinn, dass wir dir im nächsten Kurstext erklären wie Effekte einer Ladungsträgerbewegung aussehen.

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