Big Bang Physik 6, Schulbuch

72  GG 6.2/G 6.2 Elektrizitätslehre/Elektrische Energie 22.1.2 Ein Quäntchen Elektrizität Die elektrische Elementarladung In diesem Abschnitt geht es um eine der interessantesten Eigenschaften der elektrischen Ladung. Welche das ist, wird noch nicht verraten. Materie hat eine sehr interessante Eigenschaft: Wenn man sie teilt und teilt, dann stößt man irgendwann einmal auf etwas Unteilbares. Man spricht dann von Elementarteil- chen . Für uns sind hier die Bestandteile der Atome interes- sant: Neutronen, Protonen und Elektronen. Erstere sind zwar theoretisch noch einmal teilbar, aber im Alltag spielt das keine Rolle.  Info: Quarks Mit der Ladung ist es wie mit der Materie: Man stößt irgendwann einmal auf etwas Unteilbares ( F4 ). Die kleinste, frei vorkommende Ladung haben das Proton (+) und das Elektron (–). Sie sind gleich stark, aber gegengleich Was weißt du über die Geschichte des Atommodells? Können durch Reibung beliebig kleine Ladungen übertragen werden, oder gibt es eine kleinste Ladung? Und wenn ja, woher weiß man, wie groß diese kleinste Ladung ist? Kann man sie berechnen? Welche Ladungen werden durch das Reiben eigentlich übertragen? Positive, negative oder beide? Und woher wissen wir eigentlich, dass die negativen Ladungen negativ sind und die positiven positiv? F3 W1  F4 W2  F5 W2  Quarks Das Elektron ist nicht mehr weiter teilbar. Neutronen und Protonen bestehen noch einmal aus kleineren Teilchen, den so genannten Quarks (Abb. 22.7). Die elektrische Ladung der Quarks beträgt entweder –1/3 oder +2/3 der Elementar- ladung e . Quarks können aber niemals einzeln auftreten, sondern sie sind immer so vereint, dass ihre Gesamtladung ganzzahlig ist. Die Quarks im Proton haben zum Beispiel die Ladungen +2/3 e , +2/3 e und –1/3 e . Macht in Summe die La- dung + e . Die Quarks im Neutron haben die Ladungen +2/3 e , –1/3 e und –1/3 e . Deshalb ist dieses nach außen hin neutral. i Abb. 22.7:  Elektronen sind nicht mehr weiter teilbar und daher wirk- liche Elementarteilchen. Neutronen und Protonen bestehen aber aus Quarks (bei c im Detail sichtbar). Diese treten allerdings niemals einzeln auf. Deshalb ist die kleinste in der Natur vor- kommende Ladungsgröße +/– e . geladen. Dass die Elektronen negativ geladen sind, ist reine Definitionssache. Man hätte es auch umgekehrt festlegen können ( F5 ). Die Ladung der Protonen und Elektronen nennt man die elektrische Elementarladung e . Sie entspricht 1,6 · 10 –19 C (Coulomb; siehe S. 73). Jede in der Natur vorkommende Ladung ist ein ganzzahliges Vielfaches von e . Diesen Wert kann man nicht berechnen, sondern nur im Experiment bestimmen. Das gelang 1907 als erstem ROBERT MILLIKAN, der dafür 1923 den Nobelpreis für Physik bekam.  Info: Der Millikan-Versuch Der Millikan-Versuch In langwierigen Experimenten gelang es ROBERT MILLIKAN, die Einheitsladung zu bestimmen. Mit einem Zerstäuber werden dazu winzige Öltröpfchen erzeugt, negativ geladen und zwischen zwei geladene Platten gebracht (Abb. 22.8). Auf jedes Tröpfchen wirken dann die Gravitationskraft nach unten sowie der Luftauftrieb und die elektrische Kraft nach oben. Nun verändert man die Spannung der Platten so lange, bis das Teilchen schwebt. Das kann man mit dem Mikroskop beobachten. Aus allen messbaren Parametern kann man dann die Ladung der Tröpfchen bestimmen. Auf die Öltröpfchen werden beim Aufladen unterschiedlich viele Elektronen übertragen. Millikan konnte aber zeigen, dass die Gesamtladung der Tröpfchen immer ein Vielfaches einer bestimmten Ladung ist, die wir heute als Elementar- ladung e bezeichnen (Abb. 22.9). i Abb. 22.8:  Schematischer Versuchsaufbau Abb. 22.9:  Versuchsprotokoll: Die Ladung der Öltröpfchen ist immer ein Vielfaches der Elementarladung. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv