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Lexikon der Astronomie: Elementarladung

Die elektrische Ladung kann nicht beliebige Zahlenwerte annehmen, sondern sie tritt nur in Vielfachen einer sehr kleinen Mindestladung auf. Die kleine Zahl heißt Elementarladung, symbolisiert mit e und beträgt:

1 e = 1.60217733 × 10-19 C

Das C steht für die SI-Einheit Coulomb der elektrischen Ladung oder 'Elektrizitätsmenge' und wurde nach dem französischen Physiker Charles Augustin de Coulomb (1736 – 1806) benannt. Von der Dimension her entspricht die elektrische Ladung dem Produkt aus Stromstärke (SI-Einheit: Ampère) und Zeit (SI-Einheit: Sekunde).

Der Millikan-Versuch

Der Zahlenwert für die Elementarladung ist sehr klein. Woher kennt man diesen mikroskopischen Wert so genau? Im Jahr 1909 führte der US-amerikanische Physiker Robert Andrews Millikan (1868 – 1953) ein historisches, physikalisches Experiment durch, dessen Messprinzip einfach und genial ist: Er brachte elektrisch geladene Öltröpfchen im elektrischen Feld eines Plattenkondensators zum Schweben. Aus der Gleichgewichtsbedingung 'Schwerkraft (G = mg) wird kompensiert durch elektrische Feldkraft (F = QE)' und der Kenntnis der elektrischen Feldstärke E (die gleich der elektrischen Spannung durch den Plattenabstand der Kondensatoren ist), konnte Millikan auf die Ladung der Öltröpfchen Q schließen. Bei der Betrachtung vieler Öltröpfchen zeigt sich, dass deren Ladungen immer ein Vielfaches der Elementarladung e betragen. Millikan bekam für diese hervorragende Idee mit glänzendem Resultat den Nobelpreis für Physik 1923.

Beispiele

In der Physik ist es sehr bequem, die elektrische Ladung der Teilchen in Einheiten der Elementarladung e auszudrücken. Dabei sind sowohl positive, als auch negative Vielfache möglich. Elektrisch neutrale Teilchen haben das Nullfache der Elementarladung. So gelten u.a. folgende elektrische Ladungen:

  • Proton: 1 e
  • Elektron: -1 e
  • Positron: +1 e
  • Neutronen: 0

Ausnahmen bestätigen die Regel

Die Teilchenphysik kennt jedoch auch ein paar Exoten, die kein ganzzahliges Vielfaches von e sind. So haben Quarks (die Bausteine der Hadronen) und X-Bosonen sowie Y-Bosonen (hypothetische Teilchen der GUT-Ära) drittelzahlige Ladungen.

Auf theoretischem Fundament

Die elektrischen Ladungen dieser und anderer Teilchen sind im Standardmodell der Teilchenphysik auch theoretisch erklärt. Dabei gehen wesentliche Konzepte wie Eichtheorie, Symmetrie, Gruppe und Vereinheitlichung der vier Naturkräfte ein.

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  • Die Autoren
- Dr. Andreas Müller, München

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