How big is Elektron (klassisch)?

Ein Elektron ist ein winziges Teilchen mit negativer elektrischer Ladung, das in jedem Atom außerhalb seines Kerns vorkommt. Kein Experiment hat je eine Größe für das Elektron gefunden: In jedem bisherigen Test verhält es sich wie ein Punkt. Die oben gezeigten 5,64 Femtometer sind das Doppelte des klassischen Elektronenradius, eines Werts aus der klassischen, nicht-quantenmechanischen Physik statt einer Messung. Ein Femtometer ist ein Millionstel eines Milliardstels eines Meters (10⁻¹⁵ Meter).

Größe

Der klassische Elektronenradius beträgt etwa 2,82 Femtometer. Er ergibt sich aus einer Formel, die die Ladung und Masse des Elektrons sowie die Lichtgeschwindigkeit verwendet, aber nichts aus der Quantenphysik. Er entspricht ungefähr der Größe, die eine Kugel aus der Ladung des Elektrons haben müsste, damit die Energie ihres elektrischen Feldes der Masse-Energie des Elektrons entspricht – der Energie, die durch E = mc² gegeben ist.

Von 1989 bis 2000 ließ der Large Electron-Positron Collider (LEP) am CERN Elektronen mit Positronen zusammenstoßen, Teilchen mit derselben Masse wie Elektronen, aber entgegengesetzter Ladung. Eine Analyse dieser Kollisionen aus dem Jahr 2000 fand keinen Hinweis darauf, dass Elektronen überhaupt eine Größe haben. Falls ein Elektron überhaupt einen Radius hat, liegt er unter 2,8 × 10⁻¹⁹ Metern, etwa einem Zehntausendstel des klassischen Elektronenradius. Eine Arbeit aus dem Jahr 2025 nennt diesen Wert weiterhin als beste Grenze aus solchen Kollisionen.

Größenvergleiche

Der oben gezeigte Wert von 5,64 Femtometern ist etwa 10.000-mal so groß wie die größte Breite, die Kollisionsexperimente für ein Elektron zulassen: 5,6 × 10⁻¹⁹ Meter.
Nach dem klassischen Wert wäre ein Elektron mehr als dreimal so breit wie ein Proton, das einen Durchmesser von etwa 1,7 Femtometern hat, obwohl ein Proton die 1.836-fache Masse des Elektrons besitzt.
Legt man stattdessen die experimentelle Grenze zugrunde, ist ein Proton mindestens 3.000-mal so breit wie ein Elektron.
Ein Heliumkern mit einem Durchmesser von etwa 3,4 Femtometern ist etwa 6.000-mal so breit wie die größte für ein Elektron zulässige Breite.
Wäre ein Proton auf die Größe eines Basketballs vergrößert, wäre ein Elektron im gleichen Maßstab höchstens 0,08 Millimeter breit – nicht breiter als ein dünnes Menschenhaar.

Warum der klassische Radius weiterhin verwendet wird

Der klassische Elektronenradius ist keine tatsächliche Größe, aber dennoch eine nützliche Zahl. Trifft Licht oder eine andere elektromagnetische Welle auf ein freies Elektron, streut dieses die Strahlung so, als wäre es eine kleine, feste Kugel von etwa diesem Radius. Physiker nutzen ihn, um zu berechnen, wie stark Elektronen diese Strahlung streuen – ein Vorgang, der Thomson-Streuung genannt wird.

Wie das Elektron entdeckt wurde

Der britische Physiker J. J. Thomson identifizierte das Elektron 1897 am Cavendish-Laboratorium der Universität Cambridge. Er untersuchte Kathodenstrahlen, eine rätselhafte Art von Strahlen, die durch Glasröhren wandern, aus denen fast die gesamte Luft abgepumpt wurde. Er zeigte, dass die Strahlen negative Ladung trugen und durch elektrische und magnetische Felder abgelenkt werden konnten.

Aus dem Ausmaß der Ablenkung der Strahlen ermittelte Thomson, dass ihr Verhältnis von Masse zu Ladung weniger als ein Tausendstel des Wertes für ein geladenes Wasserstoffatom betrug. Er vermutete, dass die Strahlen aus winzigen Bruchstücken von Atomen bestanden, die er Korpuskeln nannte. Heute nennt man sie Elektronen.