Elementarladung

physikalische Naturkonstante

Die Elementarladung (Symbol: ) ist die kleinste frei existierende elektrische Ladungsmenge. Die Ladung freier Teilchen und von Materiemengen beträgt entweder Null oder ein ganzzahliges (positives oder negatives) Vielfaches von . So besitzen zum Beispiel das Elektron und das Myon die Ladung , ein Proton und ein Positron besitzen die Ladung . Die Quarks des Standardmodells besitzen zwar Ladungen von oder , kommen aber nicht als freie Teilchen vor (siehe Confinement).

Physikalische Konstante
Name Elementarladung
Formelzeichen
Größenart Elektrische Ladung
Wert
SI 1.602176634e-19 C
Unsicherheit (rel.) (exakt)
Quellen und Anmerkungen
Quelle SI-Wert: CODATA 2018 (Direktlink)

Die Elementarladung ist eine Naturkonstante. Ihr Wert ist maßgeblich für die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung, siehe Feinstrukturkonstante.

WertBearbeiten

Der Wert der Elementarladung beträgt[1]

 .

Dieser Wert gilt exakt, weil die Maßeinheit „Coulomb“ seit 2019 dadurch definiert ist, dass der Elementarladung dieser Wert zugewiesen wurde.[2] Zuvor war das Coulomb anders definiert und   war eine experimentell zu bestimmende Größe.

Zusammenhang mit anderen GrößenBearbeiten

Durch Multiplikation der Elementarladung mit der Avogadro-Konstante ergibt sich die Faraday-Konstante, die in der Elektrochemie eine Rolle spielt.

 

In der Teilchenphysik werden Energien von Teilchen häufig in der Einheit Elektronvolt (eV) angegeben. Ein Elektronvolt ist die Energie, die eine Elementarladung (z. B. ein Elektron) beim Durchlaufen einer Beschleunigungsspannung von 1 Volt erhält. Es gilt die Umrechnung:

 

Wert in natürlichen EinheitenBearbeiten

Die Elementarladung gehört nicht zu den Konstanten, die in den natürlichen Einheiten der Teilchenphysik auf 1 gesetzt werden können. Da in diesem System die Konstanten Lichtgeschwindigkeit, reduziertes Plancksches Wirkungsquantum und elektrische Feldkonstante gleich Eins gesetzt werden,  , und die Feinstrukturkonstante   als Größe der Dimension Zahl unabhängig vom verwendeten Einheitensystem ist, ist die Elementarladung durch

 

eindeutig bestimmt. Man erhält dann den Eichkopplungsparameter

 [3]

GeschichteBearbeiten

Dass die Ladung eine feste kleinste Einheit hat, wurde im 19. Jahrhundert aufgrund elektrochemischer Reaktionen vermutet (Faradaysche Gesetze). Nachdem Josef Loschmidt 1865 erstmals die Größe von Luftmolekülen bestimmt hatte, woraus die Avogadro-Konstante abgeleitet werden konnte, gab George Johnstone Stoney 1874 eine erste Abschätzung für die Elementarladung. Präzise bestimmt wurde die Größe der Elementarladung erstmals von dem Physiker Robert Andrews Millikan mit dem nach ihm benannten Öltröpfchenversuch. Unter anderem für diese Arbeit erhielt Millikan 1923 den Nobelpreis.

WeblinksBearbeiten

Wiktionary: Elementarladung – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 22. Mai 2019. Wert für die Elementarladung in der Einheit Coulomb.
  2. Resolution 1 of the 26th CGPM. On the revision of the International System of Units (SI). Bureau International des Poids et Mesures, 2018, abgerufen am 13. September 2021 (englisch).
  3. Siehe z. B. Matthew D. Schwartz, Quantum Field Theory and the Standard Model, 1. Auflage, S. 818