Ändert sich die Masse eines Elektrons mit seinem "Energiezustand"?

Wenn ein Elektron ein Photon absorbiert, gelangt es in einen höheren Energiezustand und geht in die obere Umlaufbahn/Schale.

Hat (eher sollte) diese Energieaufnahme auch einen Einfluss auf seine Masse (wenn auch unglaublich klein)?

Können wir die Masse eines Elektrons überhaupt messen, während es noch an den Kern gebunden ist?

Hängt davon ab, auf welche Masse Sie sich beziehen. Sprechen Sie von Gravitationsmasse oder Trägheitsmasse oder Ruhemasse?
@Aron Das ist eine höchst irreführende Aussage. Ich bin sogar versucht zu sagen, dass es völlig falsch ist, da – soweit wir wissen – träge Masse und schwere Masse gleich sind . Darüber hinaus ist die Ruhemasse auch mit den beiden anderen Begriffen äquivalent, es sei denn, Sie versuchen, sie mit einer größeren Subtilität (wie der Masse-Energie-Dichte) zu unterscheiden. Ich bin mir nicht sicher, worauf Sie hinaus wollen, aber ich denke, es verwirrt das vorliegende Problem wirklich.
@Geoffery. Du liegst komplett falsch. Ruhemasse und Trägheitsmasse sind NICHT gleichwertig, außer im Ruhezustand. Einfach SR. Ja, Trägheitsmasse und Gravitationsmasse entsprechen bei massiven Teilchen einigen ppm, aber bei Konzepten wie Löchern bin ich mir nicht sicher.
@Aron Nein, da liegst du sehr falsch. Nach dem Äquivalenzprinzip von GR sind träge und schwere Masse genau gleich. Und sie sind gleich der Ruhemasse. Wenn Sie das Gegenteil zeigen, wird es eine große Entdeckung sein.
@Ruslan. Ich glaube, Sie haben meinen Punkt völlig verfehlt. Wenn ich auf ein paar ppm sage, bedeutet das, dass es experimentell auf ein paar ppm bestätigt wurde. Mein Hauptpunkt ist, dass es verschiedene Größen gibt, die als Masse bezeichnet werden. Einige von ihnen Skalare.
Nur um das hinzuzufügen, für Elektronen, die mit einem Atomgitter interagieren (insbesondere in Halbleitern), muss auch das Konzept der "effektiven Masse" berücksichtigt werden. Es ist nur ein Mittel, um den Effekt der Wechselwirkung zusammenzufassen (mehr oder weniger wie „relativistische Masse“), aber es ist praktisch, wenn es um Kristalle geht.
@Aron Wenn nichts anderes, sollten Sie wirklich wissen, dass alle Massen Skalare sind, nicht nur einige Massen. Unabhängig vom Kontext ist Masse niemals ein Vektor.
@Geoffrey Scalar bedeutet nicht, was Sie denken. Dies bedeutet, dass es unter Rotation invariant ist. Bei SR bedeutet Rotation Lorentz-Boost. Nur die invariante Masse/Ruhemasse ist unter Lorentz-Boost invariant (daher der Name).
Ich dachte Skalar bedeutet ohne Richtung. Die Masse eines Körpers (als Ursache seiner Gravitationskraft) hat zwar eine Richtung, aber diese Richtung kann nicht definiert werden, da diese Richtung in einfachen Worten "zu sich selbst" ist. So wie die Gravitationskraft (oder vielleicht ist das Feld das richtige Wort) des Körpers keine Richtung hat, es sei denn, es wird in Bezug auf einen Körper gesprochen, auf den diese Kraft ausgeübt wird, ist die Masse in ähnlicher Weise richtungslos. Ich meine, Masse hat eine Richtung, aber wenn Sie alle Richtungen der Masse im 3D-Raum addieren, wird jede Richtung durch die Richtung auf der gegenüberliegenden Seite aufgehoben.

Antworten (5)

Die Ruhemasse eines Elementarteilchens ändert sich nie. Seine Masse ist eine Naturkonstante und eine der Zahlen, die ihn eindeutig identifiziert (wie sein Spin). Andererseits nimmt die unveränderliche Masse des Atomsystems zu, wenn das Elektron angeregt wird, wodurch das Atom in einen höheren Energiezustand gebracht wird. In diesem Sinne wird das Atom (nicht das Elektron) aufgrund der erhöhten Energie der inneren Konfiguration von Teilchen "schwerer".

Also wird das Atom insgesamt schwerer, während das Material seiner Zusammensetzung die gleiche Masse behält? Mit Material meine ich Partikel. Das Inkrement der Gesamtmasse eines Photonen absorbierenden Atoms steigt also aufgrund seiner Energiekomponente anstelle des Masseninkrements der Partikel?
Grundsätzlich ja. Die begriffliche Erklärung stützt sich auf das Ganze E = m c 2 Idee. Grob gesagt übersetzt sich die erhöhte Energie des Atoms durch relativistische Effekte in eine erhöhte Masse des Atoms. Ich denke, dass Johns Antwort eine ausgezeichnete Erklärung ist.

Dies ist wirklich ein erweiterter Kommentar zu Geoffreys Antwort, also stimmen Sie bitte eher Geoffreys Antwort als dieser zu.

Die Masse eines Wasserstoffatoms ist 1.67353270 × 10 − 27 kg. Wenn Sie die Massen eines Protons und eines Elektrons zusammenzählen, kommen sie zusammen 1.67353272 × 10 − 27 kg. Der Unterschied beträgt etwa 13,6 eV, was der Ionisationsenergie von Wasserstoff entspricht (beachten Sie jedoch, dass der experimentelle Fehler in den Massen nicht viel geringer ist als der Unterschied, sodass dies nur ungefähr ist).

Dies sollte Sie nicht überraschen, da Sie Energie (in Form eines 13,6-eV-Photons) hinzufügen müssen, um ein Wasserstoffatom in ein freies Proton und ein Elektron zu dissoziieren, und dies erhöht die Masse gemäß Einsteins berühmter Gleichung E = m c 2 . Das ist also ein direktes Beispiel für die Art von Massenzunahme, die Sie beschreiben.

Man kann jedoch nicht sagen, dass dies eine Massenzunahme des Elektrons oder des Protons ist. Es ist eine Massenzunahme des kombinierten Systems. Die unveränderlichen Massen des Elektrons und des Protons sind Konstanten und werden nicht davon beeinflusst, ob sie sich in Atomen befinden oder sich frei bewegen. Die Massenänderung kommt von einer Änderung der Bindungsenergie des Systems.

In dem von Ihnen angegebenen Beispiel sprechen Sie von einem gebundenen Elektron. In diesem Fall gewinnt das Elektron nicht (irgendwie) an Masse, da die Energie des Photons in die Zustandsänderung des Elektrons (in einen höheren Energiezustand) einfließt. Diese Energie wird "zurückgegeben", wenn das Elektron in seinen vorherigen Zustand zurückkehrt und ein äquivalentes Photon abgibt.

Nein. Die Masse eines Elektrons ändert sich nicht mit seiner erhöhten Energie (durch Absorption von Photonenenergie).

Ein Photon hat keine Ruhemasse, sondern Energie, und diese Photonenenergie wandelt sich nicht in Masse um, in welcher Form auch immer - gemäß der Gleichung E=mc^2.

Die Photonenenergie wird vielmehr in höhere Frequenz umgewandelt, nicht in Masse, wie aus der Max-Planck-Gleichung E=hv (eich nu) oder E=hf ersichtlich ist. Photonenenergie wandelt sich eher in Frequenz um, als Ergebnis sollte eine solche energieerregte Wahl ihre Energie und Frequenz ihres Spins um den Kern herum erhöhen, nicht die Masse des Elektrons oder die Masse des Atoms selbst erhöhen, sondern seine Energiefrequenz erhöhen.

Die Masse des Atoms nimmt zu, wie von Geoffrey und John erklärt.

Auch ein freies Elektron wird unter dem Einfluss beschleunigender Photonen schwerer. Bestes Beispiel sind Collider, bei denen ein Teil der Photonenenergie auf dem Elektron verbleibt und das Elektron einen Teil wieder verliert. Dann schneller das Elektron dann höher das Lose. Die Physik lebt von Modellen und Interpretationen und deine Interpretation ist schön. Es bringt die Begriffe Energie und Masse näher zusammen.

Nur richtig, wenn Sie einen Text aus der Eisenhower-Administration verwenden (um einen Physics SE-Regulanten zu zitieren). Die invariante Masse bleibt invariant. Diese Antwort ist auch nicht hilfreich für ein gebundenes Elektron, das keinen genau definierten Impuls hat.
Ich dachte, es gibt keine "invariante Masse", da sich die gesamte Materie unseres Universums in ständiger Bewegung befindet. Alle „Ruhemassen“ sind also etwas irreführend, wenn man das große Ganze des Kosmos im Blick behält. Nein?
@YoustayIgo: Schön.
@YoustayIgo Diese Idee, die Sie in Ihrem Kommentar hier erklären, ist ein weit verbreitetes Missverständnis, das durch diese Sache verursacht wird, die die Leute davon hören, dass sich bewegende Partikel massiver werden. Unter der Speziellen Relativitätstheorie ist ein sich schnell bewegendes Teilchen im Allgemeinen schwerer zu beschleunigen, als die Newtonschen Gesetze vorhersagen würden, was oft – und irreführend – als eine Zunahme der Masse des Teilchens beschrieben wurde, während es in Wirklichkeit einfach eine Tatsache der relativistischen Mechanik ist es ist keine Newtonsche Mechanik . Die Relativitätstheorie ist eine schöne neue Welt. Umfassen Sie es zu seinen eigenen Bedingungen.
Ein Körper in Bewegung lässt sich also schwerer beschleunigen, obwohl seine Masse gleich bleibt? Früher dachte ich, dass Impuls ein einfaches Vielfaches von Masse und Geschwindigkeit ist. Wenn die Masse konstant bleibt und die Geschwindigkeit bekannt ist, warum ist dann der Impuls größer als ihr Vielfaches? :S
@Youstay Igo: Ja, es ist aus drei Gründen schwieriger zu beschleunigen. Beschleunigung ist Wechselwirkung mit Photonen. 1. Wenn dann die Körpergeschwindigkeit höher ist, geht weniger Impuls vom Photon zum Körper. 2. Dann werden mehr Photonen reemittiert (Bremsstrahlung). 3. Die geladenen Teilchen des Körpers werden von den Photonen, die nicht reemittiert werden (die "auf dem Körper sind"), abgeschattet.
@YoustayIgo Die unveränderliche Masse eines Teilchens oder Systems ist definiert als die Länge des Energie-Impuls-Vier-Vektors. Als solches ist es ein Lorentz-Skalar und wird in jedem Bezugsrahmen als gleich gemessen. Alle Lorentz-Skalare (einschließlich der Eigenzeit) haben diese Eigenschaft, also stützen sich Leute, die es mit der Relativitätstheorie ernst meinen, stark auf sie, weil sie einfach alle Arten von Berechnungen sind. Ein großer Teil der Relativisten spricht nur von unveränderlicher Masse und vermeidet den Begriff "relativistische Masse" als unnötig, veraltet und verwirrend; was nicht heißt, dass dieses Konzept nicht definiert und verwendet werden kann.
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