Elektrische Ladung

Der Atomkern

Der Atomkern ist der innerste, positiv geladene Teil eines Atoms. Er befindet sich im Zentrum des Atoms und hat einen Durchmesser, der etwa 1/20.000 bis 1/150.000 des Durchmessers der Elektronenhülle beträgt. Obwohl der Atomkern winzig ist, macht er je nach Element 99,95 bis 99,98 Prozent der Masse des gesamten Atoms aus.

Der Atomkern besteht aus Protonen und (außer bei Wasserstoff) aus Neutronen. Diese subatomaren Teilchen werden zusammen als Nukleonen bezeichnet. Die Anzahl der Protonen im Kern wird als Kernladungszahl oder Ordnungszahl bezeichnet. Sie bestimmt die Anzahl der Elektronen in einem elektrisch neutralen Atom und somit die chemischen Eigenschaften des Elements.

Der Atomkern besteht aus den elektrisch positiv geladenen Protonen und den elektrisch neutralen Neutronen

Das Neutron ist ein elektrisch neutrales subatomares Teilchen, das neben dem Proton zu den Nukleonen gehört und Bestandteil fast aller Atomkerne ist. Die Masse eines Neutrons beträgt etwa 1,675 × 10⁻²⁷ kg. Es ist räumlich ausgedehnt und hat einen Durchmesser von etwa 1,7 × 10⁻¹⁵ m. Das Neutron dient als Bindeglied zwischen den positiv geladenen Protonen im Atomkern. Protonen und Neutronen werden durch Kernkräfte zusammengehalten.

Begriffsbestimmung der Elektrische Ladung

Ist in einem Atom die Anzahl der Elektronen identisch mit der Anzahl der Protonen im Atomkern, so zeigt das Atom bzw. eine aus solchen Atomen zusammengesetzte Atomgruppe keine elektrischen Eigenschaften. Durch Aufnahme oder Abgabe von Elektronen wird das Atom bzw. die Atomgruppe elektrisch geladen.

Arten der elektrischen Ladungen

Schon lange bevor man Kenntnis von der Existenz der Elektronen hatte, war von der Lehre der Reibungselektrizität her bekannt, dass es zweierlei Arten elektrischer Ladungen gibt. Die elektrische Ladung, die beim Reiben eines Glasstabes mit Leder entsteht, bezeichnete man willkürlich als positive Ladung, die elektrische Ladung eines mit Wolle geriebenen Hartgummistabes als negativ.

Die physikalischen Erscheinungen bei ruhenden elektrischen Ladungen werden in der Elektrostatik behandelt, deren wichtigstes Gesetz lautet: Gleichartig elektrisch geladene Körper stoßen einander ab, ungleichartig geladene Körper ziehen einander an.

Aus Versuchen hatte sich ergeben, dass das Elektron, unter Beibehaltung der früher willkürlich eingeführten Bezeichnung elektrischer Ladungen, eine negative Ladung hat.

Das Elektron ist der Träger der negativen Elementarladung.

Die negative Ladung eines geriebenen Hartgummistabes kommt dadurch zustande, dass er Elektronen aus der Wolle aufnimmt, die selbst durch den Verlust an Elektronen positiv geladen wird. Dagegen wird der Glasstab beim Reiben positiv elektrisch, weil er Elektronen an das Leder abgibt, das sich dadurch negativ auflädt. Diese Elektronenbewegung zwischen zwei verschiedenartigen Stoffen tritt schon bei einer innigen Berührung der beiden Stoffe auf. Man spricht deshalb besser von Kontaktelektrizität als von Reibungselektrizität.

Ein Elektronenüberschuß ergibt eine negative Elementarladung.
Ein Elektronenmangel ergibt eine positive Ladung.

Die Atome fast aller chemischen Grundstoffe zeigen in ihrem Normalzustand trotz des Gehalts an Elektronen nach außen keine elektrischen Wirkungen. Dies ist nur möglich, weil der Atomkern eine positive Ladung hat, die gleich der Summe der negativen Ladungen der den Kern umkreisenden Elektronen ist (Bild unten). Die beiden entgegengesetzt gleichen Ladungen heben sich in ihrer Wirkung nach außen auf, so dass das Atom in seinem Normalzustand nach außen „elektrisch neutral" erscheint. (Eine Ausnahme machen die Elemente mit natürlicher Radioaktivität, auf die hier nicht näher eingegangen wird.)

Ionen

Zum Unterschied von elektrisch neutralen Atomen bezeichnet man positiv oder negativ geladene Atome oder Atomverbände als Ionen (ion, griech., wandernd).

Ein neutrales Atom aus dem ein Elektron ausbricht erhält eine positive Ladung. Ein Atom an das sich ein Elektron angliedert erhält eine negative Ladung.

Auf die um den Atomkern kreisenden Elektronen wirken zwei Kräfte in entgegengesetzter Richtung. Infolge der kreisenden Bewegung wirken radial nach außen die Zentrifugalkräfte. Denen entgegen wirken die Anziehungskräfte die zwischen den ungleichartigen Ladungen des Atomkerns und der Elektronen wirksam sind.

Diese Anziehungskräfte binden die Elektronen der Hülle an den Kern, sie nehmen aber, wie alle sich im Raum ausbreitenden Wirkungen, mit dem Quadrat der Entfernung vom Wirkungszentrum ab. Deshalb sind die Elektronen der inneren Elektronenschalen fest an den Atomkern gebunden, während sich die Elektronen der äußeren Schale durch physikalische Einwirkungen, wie z. B. Reibung, Wärme, Licht oder chemische Vorgänge, leicht vom Atomkern trennen und auf andere Atome übertragen lassen oder auch vorübergehend frei bestehen können. Infolge ihrer loseren Bindung an den Atomkern sind die Elektronen der äußersten Schale im wesentlichen an den elektrischen Vorgängen beteiligt. In vielen festen Körpern, am meisten in den Metallen, werden durch die feste Aneinander Lagerung der Atome in den Molekülen und Kristallverbänden einige Elektronen der äußeren Schalen von ihren Atomkernen gelöst und innerhalb dieses Verbandes frei beweglich. Man nennt diese Elektronen daher freie Elektronen Oder auch Leitungselektronen, da auf ihrem Vorhandensein die elektrische Leitfähigkeit dieser Stoffe beruht.

Definition der elektrischen Ladung

Die elektrische Ladung oder auch Elektrizitätsmenge ist also eine physikalische Größe. Sie bestimmt die elektromagnetische Wechselwirkung und damit, wie Materie auf elektrische und magnetische Felder reagiert und diese hervorruft. Ihr Formelzeichen ist \(\displaystyle \textstyle Q\) oder \(\displaystyle \textstyle q\) Im Internationalen Einheitensystem (SI) wird die Ladung in der Einheit Coulomb \(C\) angegeben.

Elementarteilchen können positive, negative oder keine elektrische Ladung tragen. Die Ladung freier Teilchen ist stets ein ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung \(\displaystyle \textstyle e \), die \(\textstyle e=1{,}602\,176\,634\cdot 10^{-19}\,\mathrm {C} \) beträgt. Die Ladung des Elektrons ist negativ, die des Protons positiv. Bei Atomen und anderen zusammengesetzten Teilchen addieren sich die einzelnen Ladungen. Ist die Gesamtladung null, so ist das zusammengesetzte Teilchen neutral.

Elektrischer Strom

Bewegte elektrische Ladungen bezeichnet man als elektrischen Strom, Die Träger von elektrischen Ladungen können Elektronen oder lonen sein.