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Wie schnell ist ein Elektron?

fragt Rainer Heuser, Remscheid

Die klassische Physik betrachtet Elektronen als negativ geladene Teilchen, die sich nach dem Bohr’schen Modell in verschiedenen Abständen auf konzentrischen Bahnen (Schalen) um den Atomkern bewegen. Doch dieses Modell beschreibt den Zustand von Elektronen unzureichend. Denn ein Elektron müsste demnach Energie abstrahlen. Dadurch würde sich sein Abstand zum Kern ständig verringern – bis es in ihn stürzen würde. Das tut es aber nicht. Daher kann das Modell nicht stimmen. Die Bewegung des Elektrons lässt sich nur mit Konzepten von Quantenmechanik und Spezieller Relativitätstheorie korrekt erklären. Demnach verhalten sich Elektronen ähnlich wie Photonen, die Partikel des Lichts: mal als Teilchen, mal als Welle. In diesem Modell betrachtet man das Elektron als stehende Welle um den Atomkern, die durch vier „Quantenzahlen“ charakterisiert ist.

Im quantenmechanischen Modell ergibt sich allerdings ein Problem bei der Bestimmung der Geschwindigkeit des Elektrons. Laut der Heisenberg’schen Unschärferelation lässt sie sich nicht exakt messen. Das geht nur, wenn man wieder das einfachere Bohr’s che Atommodell zugrunde legt. Danach kreist zum Beispiel das eine Elektron des Wasserstoff-Atoms mit einer Geschwindigkeit von 2200 Kilometern pro Sekunde um den Kern. Das entspricht etwa einem Hundertstel der Lichtgeschwindigkeit (300 000 Kilometer pro Sekunde). In einem Teilchenbeschleuniger können Elektronen sogar rund 99,9 Prozent der Lichtgeschwindigkeit erreichen.

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