Grundlagen der Elementarladung
Die Elementarladung, üblicherweise mit dem Buchstaben e bezeichnet, ist die elektrische Ladung, die von einem einzelnen Proton getragen wird. Sie hat den gleichen Betrag wie die negative elektrische Ladung eines einzelnen Elektrons, welche als -1 e angegeben wird. Diese Elementarladung stellt eine fundamentale physikalische Konstante dar. Sie ist definiert als e = 1,602176487 x 10-19C. Ein Coulomb repräsentiert das Negative der Gesamtladung von etwa 6 x 1018 Elektronen.
Über Elektrische Ladung
Elektrische Ladung ist eine physikalische Größe und Eigenschaft der Materie, die dazu führt, dass sie eine Kraft erfährt, wenn sie in ein elektromagnetisches Feld gesetzt wird. Es gibt zwei Arten von elektrischer Ladung: positive, übertragen durch Protonen, und negative, übertragen durch Elektronen. Ist die Gesamtladung null, spricht man von Neutralität. Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, und entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an. Diese Tatsachen sind als das Erste Gesetz der Elektrostatik bekannt und werden manchmal auch als das Gesetz der elektrischen Ladungen bezeichnet.
Die Elementarladung
Die elementarste Einheit der Ladung ist die Ladungsmenge eines Elektrons oder Protons, die mit e bezeichnet wird. Der präziseste verfügbare Wert lautet: e = 1,602176487 x 10-19C. Ein Coulomb entspricht dem Negativen der Gesamtladung von etwa 6 x 1018 Elektronen. Ladungen in der Größe eines Coulombs begegnen wir selten. Die durch das Reiben alltäglicher Gegenstände (wie einem Kamm oder Lineal aus Kunststoff) erzeugten Ladungen liegen typischerweise bei einem Mikrocoulomb ( C = 10-6 C) oder weniger.
Das Proton trägt die Ladung + e und das Elektron – e. Die Ladung ist quantisiert; sie tritt in ganzzahligen Vielfachen kleiner Einheiten, der sogenannten Elementarladung e, auf, welche die kleinste frei existierende Ladung darstellt (Teilchen wie Quarks haben kleinere Ladungen, Vielfache von ⅓ e, finden sich jedoch nur in Kombination und bilden stets Teilchen mit ganzzahliger Ladung). Das Proton hat eine Quark-Zusammensetzung von uud, wodurch seine Ladungsquantenzahl: q(uud) = 2/3 + 2/3 + (-1/3) = +1e beträgt. Das Neutron hingegen, mit einer Quark-Zusammensetzung von udd, hat daher eine Ladungsquantenzahl von: q(udd) = 2/3 + (-1/3) + (-1/3) = 0.
Da das Neutron keine Nettoladung besitzt, wird es von elektrischen Kräften nicht beeinflusst. Es weist jedoch eine leichte Verteilung der elektrischen Ladung aufgrund seiner internen Quarkstruktur auf. Dies führt zu einem nicht null Magnetmoment (Dipolmoment) des Neutrons. Daher interagiert das Neutron auch über die elektromagnetische Wechselwirkung, allerdings schwächer als das Proton.
Elektrische Ladung von Antiteilchen
Theoretisch haben ein Teilchen und sein Antiteilchen (zum Beispiel ein Proton und ein Antiproton) die gleiche Masse, aber entgegengesetzte elektrische Ladung und andere Unterschiede in Quantenzahlen. Für jedes Quark gibt es eine entsprechende Art von Antiquark. Die Antiquarks haben dieselbe Masse, mittlere Lebensdauer und Spin wie ihre entsprechenden Quarks, aber die elektrische Ladung und andere Ladungen haben das entgegengesetzte Vorzeichen. Das bedeutet, dass ein Proton eine positive Ladung hat, während ein Antiproton eine negative Ladung hat und sie sich daher gegenseitig anziehen. Das Antiteilchen des Elektrons wird als Positron bezeichnet; es ist identisch mit dem Elektron, außer dass es elektrische und andere Ladungen des entgegengesetzten Vorzeichens trägt. Wenn ein Elektron mit einem Positron kollidiert, können beide Teilchen vollständig annihilieren, wobei Gammastrahlungsphotonen entstehen.
