Dem elektrischen Fluid auf der Spur: Wie Wissenschaftler das Elektron entdeckten

Eine Feier des Jahres 2025 als Internationales Jahr der Quantenmechanik und Wissenschaft wäre unvollständig, wenn man nicht einen Blick darauf werfen würde, wie der Träger der Elektrizität schließlich seine Geheimnisse preisgab und damit den Weg in das Quantenzeitalter ebnete.

Von Tom Siegfried 25.03.2025

Eine Welt ohne Elektronen ist kaum vorstellbar. Ohne Elektronen gäbe es kein Fernsehen, kein Radio, kein Internet. Keine Smartphones, keine Computer, keinen Strom. Ganz zu schweigen von Chemikalien, Nahrung und Leben. Keine Atome.

Elektronen gab es tatsächlich schon immer, und zwar in Hülle und Fülle. Sie durchdrangen das Universum seit den ersten Augenblicken nach dem Urknall. Doch trotz ihrer Allgegenwart wusste bis fast zum 20. Jahrhundert kaum jemand viel über sie. Zuvor gab es nur vage Hinweise darauf, was die merkwürdige statische Elektrizität und die elektrischen Ströme verursachten.

Die Suche nach diesen Hinweisen verlief jahrhundertelang schleppend. Doch nachdem die Beute gefunden und ihre Identität geklärt war, ermöglichte das Elektron die Magie der modernen Technologie und legte den Grundstein für neue Wissenschaftsgebiete. Es war das Elektron, das Wissenschaftler in die wilde und seltsame Welt der Quantenmechanik führte, die in diesem Jahr ihr hundertjähriges Jubiläum feiert. Das Wissen über das Verhalten des Elektrons und seine Quantenkräfte veränderte die Zivilisation auf eine Weise, die die Vorfahren sich nicht hätten vorstellen können.

Schon antike griechische Philosophen ahnten, dass in den Wechselwirkungen der Materie etwas Geheimnisvolles vor sich ging. Es war bekannt, dass Bernstein, der mit Seide oder Fell gerieben wurde, die Fähigkeit entwickelte, kleine, leichte Objekte anzuziehen, ein Beispiel für das, was heute als statische Elektrizität bekannt ist. Thales von Milet, der um 600 v. Chr. aktiv war, spekulierte sogar, dass die Kraft des Bernsteins und die Anziehungskraft des Minerals Magnetit auf Eisen etwas gemeinsam hätten.

Die Fortschritte in der Antike und im Mittelalter waren begrenzt. Doch gegen Ende des 16. Jahrhunderts stellte William Gilbert, der Arzt von Königin Elisabeth II., in England fest, dass viele Substanzen, darunter auch Glasstäbe, beim Reiben mit Seide eine ähnliche Anziehungskraft wie Bernstein entwickelten. Gilbert bezeichnete solche Stäbe als „elektrische Körper“ oder „Elektrik“ , nach dem griechischen Wort für Bernstein: elektron .

Mitte des 18. Jahrhunderts begann Benjamin Franklin, die Geheimnisse der Elektrizität genauer zu erforschen. Franklin, bekannt für seinen Beweis, dass Blitze eine Form von Elektrizität sind, legte auch die grundlegenden Konzepte dar und lieferte einen Großteil der Terminologie für die spätere elektrowissenschaftliche Forschung.

„Er führte in die Sprache des wissenschaftlichen Diskurses im Zusammenhang mit Elektrizität technische Begriffe wie Plus und Minus , positiv und negativ , Ladung und Batterie ein“, schrieb der Wissenschaftshistoriker IB Cohen.

Franklin glaubte an eine einzige elektrische Flüssigkeit oder „elektrisches Feuer“, die unabhängig von anderen materiellen Substanzen existierte. So entstand beispielsweise beim Reiben von Glas mit menschlichen Händen kein elektrisches Feuer; vielmehr wurden beim Reiben Teile des bereits vorhandenen elektrischen Feuers von den Händen auf das Glas übertragen. Mit anderen Worten: Das Glas erhielt, wie Franklin es nannte, eine positive elektrische Ladung; Seide hingegen erhielt aufgrund des Mangels an elektrischem Feuer eine negative Ladung.

Das elektrische Feuer, das Glas erzeugte, stellte sich als nichts anderes als Elektronen heraus. (Leider erforderten spätere terminologische Konventionen die Zuweisung einer negativen Ladung an Elektronen. Aber das war nicht Franklins Schuld.)

Franklin vermutete, dass sein elektrisches Feuer oder seine Flüssigkeit „aus extrem feinen Partikeln“ besteht, die „einfache Materie durchdringen“ können. Falls jemand daran zweifelte, dass elektrisches Feuer Körper durchdringen kann, bemerkte Franklin, dass „ein Stromschlag durch ein großes, unter Strom stehendes Glasgefäß … ihn wahrscheinlich überzeugen wird.“

Die Elektroforschung erlebte im 19. Jahrhundert eine Blütezeit und führte schließlich zum Verständnis der Wechselwirkung zwischen Elektrizität und Magnetismus, die sich in den elektromagnetischen Wellen manifestierte, die später Radio, Fernsehen und WLAN ermöglichten. Doch die Natur von Franklins elektrischem Feuer blieb im Dunkeln.

Eine entscheidende Entwicklung war die Entdeckung, dass ein Glasrohr mit Niederdruckgas elektrischen Strom leiten konnte. Schliessen die Drähte einer Batterie an die Elektroden an den beiden Enden des Rohrs an, schien von der negativen Elektrode ein grünes Leuchten auszugehen. Da die negative Elektrode Kathode genannt wurde, bezeichnete man das grüne Leuchten als Kathodenstrahlen.

Experimente des britischen Physikers William Crookes zeigten, dass Kathodenstrahlen geradlinig verlaufen, was darauf hindeutete, dass es sich um eine Form von Licht handelte. Crookes zeigte jedoch später, dass ein Magnet den Strahlenverlauf ablenkte und Licht ausschloss. Daraufhin entbrannte unter Europas führenden Physikern eine Debatte darüber, ob die Strahlen aus Wellen oder winzigen Teilchen bestanden.

Gegen Ende des 19. Jahrhunderts vermischte sich die Debatte um die Kathodenstrahlen mit zwei anderen Fragen der Elektrotechnik: ob es eine fundamentale Einheit elektrischer Ladung gab und, falls ja, ob es ein Teilchen gab, das diese Ladung trug – ein Elementarteilchen, das kleiner als ein Atom war.

An vorderster Front bei der Erforschung dieser Fragen stand der britische Physiker J.J. Thomson . Er war ausgebildeter Mathematiker, studierte aber Physik am berühmten Cavendish-Laboratorium in Cambridge, wo er unter der Leitung des angesehenen Lord Rayleigh arbeitete. 1884 wurde Thomson Rayleighs Nachfolger als Chefprofessor am Cavendish-Laboratorium.

1897 zeigte Thomson, dass die elektrische Ladung in den Kathodenstrahlen einer bestimmten Masse zugeordnet war, wodurch das Elektron als Teilchen identifiziert wurde. Das Verhältnis dieser Masse zur elektrischen Ladung zeigte, dass die Ladungseinheit – das Atom der Elektrizität – von einer Masse getragen wurde, die weniger als ein Tausendstel der Masse des Wasserstoffatoms betrug.

„Die Annahme eines Materiezustands, der feiner unterteilt ist als das Atom eines Elements, ist ziemlich verblüffend“, räumte Thomson ein, als er seine Ergebnisse in einem Vortrag an der Royal Institution verkündete. Doch genau das hatte sein Experiment gezeigt.

Darüber hinaus zeigte Thomson, dass dieses Teilchen unabhängig vom in der Röhre verwendeten Gas und vom Material der Kathode immer die gleiche Masse hatte.

„Danach konnte kein vernünftiger Mensch mehr den Glauben leugnen, dass es Teilchen gibt, die kleiner oder zumindest leichter als Atome sind, und dass diese Teilchen eine grundlegende Rolle bei der Zusammensetzung der Materie spielen“, schrieb JJs Sohn George.

Daher gebührt Thomson (dem Vater) die Anerkennung für die Entdeckung des Elektrons, des ersten subatomaren Teilchens, das identifiziert wurde. Er nannte seine Entdeckung „Korpuskeln“.

Doch seltsamerweise war das Teilchen bereits 1891, Jahre vor seiner Entdeckung, vom irischen Physiker George Johnstone Stoney Elektron getauft worden. Stoney prägte den Begriff (vom griechischen Wort für Bernstein, wohlgemerkt) für die Grundeinheit der Elektrizität, obwohl noch niemand wusste, was sie war. Bald nachdem Thomson das Teilchen identifiziert hatte, wurde Elektron zum gängigen Begriff.

Im Inneren des Atoms

Kurz nach der Entdeckung der Röntgenstrahlen und der Radioaktivität beschleunigte die Entdeckung des Elektrons die fieberhaften Bemühungen, herauszufinden, was im Inneren der Atome vor sich geht, noch weiter.

Ein besonderes Problem bestand darin, wie Atome, die unter normalen Umständen elektrisch neutral sind, geladene Teilchen enthalten können. Um die negative Ladung des Elektrons auszugleichen, muss sich im Atom auch eine positive elektrische Ladung befinden. Doch niemand kannte die richtige Architektur, die ein solches Zusammenleben ermöglicht.

Thomson schlug vor, dass die negativ geladenen Elektronen in einen Pudding mit positiver Ladung eingebettet seien und dabei die Rolle der Pflaumen spielten. Es gab jedoch keine Beweise für eine solche Anordnung, und die ganze Idee zerplatzte 1911, als Ernest Rutherford die Entdeckung des Atomkerns verkündete. Jedes Atom enthielt einen winzigen Kern, ähnlich einer positiv geladenen Bühne in einem Rundtheater, wobei die negativ geladenen Elektronen auf die billigen Plätze verbannt wurden.

Rutherfords Entdeckung des Atomkerns war eine Überraschung, die unmöglich schien. Selbst Benjamin Franklin wäre verblüfft gewesen. Alles, was Physiker über elektrische Ladung herausgefunden hatten, erforderte, dass sich das negativ geladene Elektron in Sekundenbruchteilen spiralförmig in einen positiv geladenen Atomkern bewegte und dabei elektromagnetische Energie freisetzte.

Doch schon bald rettete der dänische Physiker Niels Bohr das Elektron aus seiner Todesspirale, indem er sich auf die neuen Regeln der Quantenphysik berief.

Bohrs Atom stellte sich Elektronen vor, die den Atomkern auf bestimmten erlaubten Bahnen umkreisten und so verhinderten, dass sie Energie freisetzten, indem sie in den Atomkern eindrangen. (Energie wurde nur dann freigesetzt oder absorbiert, wenn ein Elektron von einer erlaubten Bahn in eine andere sprang.)

Bohrs Idee (wie er sich durchaus bewusst war) war vorläufig. Seine Mathematik funktionierte nicht für Atome, die komplizierter waren als Wasserstoff. Doch ein komplexerer Ansatz, der 1925 vom deutschen Physiker Werner Heisenberg initiiert wurde, etablierte die Quantenmechanik als Regelwerk für das Verhalten von Elektronen. Bald darauf begannen Chemiker, die Quantenmathematik anzuwenden, um zu erklären, wie Elektronen die Bindung zwischen Atomen vermitteln und so chemische Verbindungen bilden.

Doch das Elektron war noch nicht voller Überraschungen. Schon bevor Heisenberg sein Bild des Atoms mit Elektronen als Teilchen konstruierte, vermutete der französische Physiker Louis de Broglie, dass Elektronen sich tatsächlich als Wellen durch den Raum bewegen könnten. Kurz nach Erscheinen von Heisenbergs Arbeit entwickelte der österreichische Physiker Erwin Schrödinger ein Elektronenwellenmodell des Atoms. Schrödingers Wellenmathematik lieferte genau die gleichen Ergebnisse wie Heisenbergs Teilchenbild.

Die experimentelle Bestätigung des Wellenbildes erfolgte bald darauf durch Clinton Davisson und Kollegen in den Bell Labs sowie unabhängig davon durch George Thomson an der Universität Aberdeen in Schottland. Beide zeigten, dass Elektronenstrahlen, die durch einen Kristall geschickt wurden, von ihrer Bahn abwichen und ein Beugungsmuster bildeten, wie es nur Wellen erzeugen können.

Davisson und Thomson erhielten 1937 den Nobelpreis für Physik. Es war eine der größten Ironien der Physikgeschichte: JJ Thomson erhielt 1906 den Nobelpreis für den Beweis, dass Elektronen Teilchen sind; sein Sohn George erhielt 1937 den Nobelpreis für den Beweis, dass Elektronen Wellen sind.

Einen Ausweg aus diesem Dilemma schlug Bohr 1927 vor. Er argumentierte, dass sowohl das Wellen- als auch das Teilchenbild korrekt seien, aber nur auf sich gegenseitig ausschließende Versuchsanordnungen anwendbar seien. Man könne ein Experiment entwickeln, das das Elektron als Welle zeige, oder man könne eines entwerfen, das es als Teilchen zeige, aber man könne kein Experiment konstruieren, das sowohl Welle als auch Teilchen gleichzeitig enthüllen würde.

Bohrs Lösung, die sogenannte Komplementarität, löste das Problem vorerst, führte jedoch zu einer jahrhundertelangen Debatte darüber, wie die Mathematik der Quantenmechanik zu interpretieren sei.

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Trotz anhaltender Interpretationskontroversen entwickelte sich die Quantenphysik schließlich zu einem Motor exotischer, auf Elektronen basierender Technologien. Mit der Miniaturisierung elektronischer Schaltkreise – von ihren Ursprüngen in klobigen Vakuumröhren hin zu übersichtlichen Transistoren und winzigen integrierten Schaltkreisen – erlebte die Gesellschaft eine Flut technologischer Revolutionen und ein tieferes Verständnis der natürlichen Welt.

Das Verhalten von Elektronen durchdringt alle Bereiche der Natur, von den chemischen Eigenschaften einzelner Atome bis hin zur Komplexität biologischer Moleküle. Das Verständnis des Elektrons ermöglichte das Zeitalter von Designermaterialien, Unterhaltungselektronik und enormer Rechenleistung. Von E-Mail über Elektronenmikroskope und Solarzellen bis hin zu Lasern – Elektronen waren der Schlüssel zur Moderne.

Wie Benjamin Franklin voraussah, würde sein „elektrisches Fluid“ der Menschheit eines Tages reichlich Belohnung für die Erforschung seiner Eigenschaften bieten. „Die nützlichen Anwendungen dieses elektrischen Fluids sind uns noch nicht gut bekannt“, schrieb er, „obwohl es zweifellos viele gibt.“