Wie misst man die Masse des Elektrons sehr genau?

Diese Woche habe ich meinen Gymnasiasten gezeigt, dass, wenn man die Masse eines Protons und die Masse eines Elektrons addiert, das Ergebnis höher ist als die Masse eines Wasserstoffatoms, weil die Bindungsenergie negativ ist. Ich habe sehr genaue Messungen der Massen verwendet, und einige Studenten fragten, wie diese Messungen tatsächlich durchgeführt werden. Ich habe etwas recherchiert und herausgefunden, wie man das mit Penning-Fallen machen kann, aber im Fall eines Elektrons verwendet man tatsächlich ein Kohlenstoffion mit nur einem Elektron, wie es hier beschrieben ist: https://www.mpg.de/ 7961020/Elektronenmasse

Es scheint mir, dass bei Verwendung eines an einen Kern gebundenen Elektrons Bindungsenergie beteiligt ist. Wenn Sie es durch quantenphysikalische Berechnungen loswerden, können Sie dieses Ergebnis nicht verwenden, um zu zeigen, dass die Addition der Massen eines Protons und eines Elektrons eine Masse ergibt, die niedriger ist als die Masse eines Wasserstoffatoms. Es wäre ein Zirkelschluss.

Gibt es eine andere Möglichkeit, die Masse eines Elektrons sehr genau zu bestimmen (nicht so wie Millikan), ohne dass Bindungsenergie beteiligt ist?

Die „Standardantwort“ könnte lauten: „Was stinkt, ist Chemie; wenn es wackelt, ist es Biologie, wenn es nicht funktioniert, ist es Physik“ . In der Physik ist es sehr schwierig, hochgenaue Messungen durchzuführen. Versuchen Sie, die Lichtgeschwindigkeit zu messen - einfach für ein paar Sig-Feigen, aber danach benötigen Sie eine evakuierte Röhre, um den Effekt einer ungleichmäßigen Atmosphäre usw. zu entfernen, gefolgt von Phasen- vs. Gruppengeschwindigkeiten und so weiter und so weiter.
Wo haben Sie eigentlich die genauen Messungen gefunden? Tatsächlich kann die Masse des Elektrons gesehen werden, wie viel Volt Sie an einen Teilchenbeschleuniger anlegen müssen, um eine Paarbildung zu erreichen. Ich persönlich wäre überrascht, wenn man das Gewicht eines Wasserstoffatoms genau genug messen kann.
Sie verwenden einen sehr, sehr kleinen Maßstab.

Antworten (2)

Das von Ihnen erwähnte Experiment misst die Elektronenmasse auf indirektem Weg: Es misst nicht die Masse des Elektrons, sondern das magnetische Moment (siehe Fußnote). Dies ist eine Eigenschaft, die durch die Theorie (QED) sehr genau vorhergesagt werden kann. Die größte Unsicherheit des vorhergesagten magnetischen Moments ergibt sich aus der Unsicherheit der Masse des Elektrons (genauer: der Masse des ungebundenen Elektrons). Die Experimentatoren drehten es also um: Da die Messung genauer ist als der theoretisch vorhergesagte Wert, können sie Einschränkungen für die Masse des Elektrons treffen. Sie führten zusätzliche Experimente durch, um andere Vorhersagen von QED zu testen, um sicher zu sein, dass QED in diesem Regime funktioniert. Ich arbeitete an einem der Folgeexperimente, die diese weiteren QED-Tests durchführten.

Die genaueste direkte Massenmessung des Elektrons, die mir bekannt ist (es ist ein paar Jahre her!), ist ein direkter Zyklotronfrequenzvergleich zwischen Kohlenstoff-6+ und einem freien Elektron in derselben Falle , aber hier haben Sie immer noch um die Bindungsenergie des Kohlenstoffions zu berücksichtigen.

Dies ist jedoch kein Problem, da die Bindungsenergien unabhängig voneinander durch Laser- oder Röntgenspektroskopie gemessen (oder mit QED berechnet werden können).

Fußnote : Die Messung ist a G -Faktor-Messung, im Geiste ähnlich der G − 2 Messung, die kürzlich für das Myon veröffentlicht wurde. Im myonischen Fall scheint es eine Diskrepanz zwischen QED und Messung zu geben. Für das Elektron wurden solche Abweichungen noch nicht gefunden, aber es macht es natürlich noch spannender, sich das Elektron noch einmal anzusehen!

Ihre Antwort ist sehr interessant. Bedeutet das, dass es keine Möglichkeit gibt, die Existenz von Bindungsenergie durch Messen von Massen nachzuweisen? Ich denke, das wäre eine andere Frage, aber es hat meine Frage überhaupt erst motiviert. Mein Ziel war es, meinen Studenten experimentell zu zeigen, dass die Masse eines Atoms nicht einfach die Summe der Massen von Protonen, Neutronen und Elektronen ist, aus denen es besteht.
@Physicsteacher Es ist einfach eine Frage, wie man die Masse jedes Partikels mit ausreichender Genauigkeit und Präzision misst, um den Beitrag zur Bindungsenergie "sehen" zu können.

Millikans Experiment bestimmte nur die Ladung des Elektrons. Wenn Sie eine genauere Bestimmung wünschen, gab es diese Frage: Wie haben Wissenschaftler es geschafft, die Ladung von Elektronen so genau zu messen?

Die spezifische Ladung eines Elektrons e M e kann gefunden werden, indem man sieht, wie stark sie von einem gegebenen Magnetfeld abgelenkt werden. Die Geschwindigkeit der Elektronen ergibt sich aus der bekannten Beschleunigungsspannung.

https://www.niser.ac.in/sps/sites/default/files/basic_page/Specific%20charge%20of%20electron.pdf (und Massenspektrometrie)

Da die Ladung bekannt ist, kann dann auf die Masse des Elektrons geschlossen werden.

Je nachdem, wie genau Sie es wollen, gibt es hier auch eine Möglichkeit https://en.wikipedia.org/wiki/Electron_rest_mass#Determination , die die Elektronenmasse aus der Rydberg-Konstante bestimmt.

Danke für deine Antwort. Ich hätte genauer werden sollen: Ich bin nicht daran interessiert, die Masse des Elektrons auf diese Weise zu bestimmen, weil das Ergebnis nicht genau genug ist, um einen Unterschied zwischen der Masse des Wasserstoffatoms und der Summe der Massen eines Elektrons aufzuzeigen und ein Proton.
Denken Sie, dass Millikans Experiment nicht genau genug ist oder irgendwie die Bindungsenergie beinhaltet? (Auch eine Bearbeitung der Antwort hat einen Link gepostet, um eine genauere Bestimmung der Gebühr zu ermöglichen.)
Wird e/m sehr genau gemessen? Sie würden es brauchen, um einen sehr genauen Wert für die Masse zu erhalten, wenn Sie die Ladung kennen. Über die höchste erreichte Genauigkeit konnte ich keine Angaben finden.
Ich bin mir über die Genauigkeit von e/m nicht sicher. Entschuldigung, wenn die Massenspektrometrie nicht genau genug ist, könnte die "Kreuzfeldmethode" vielleicht eine Verbesserung sein. Ansonsten könnte die erwähnte Rydberg-Konstantenmethode der richtige Weg sein ... alles Gute damit
Wie misst man die Masse des Elektrons sehr genau?
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