¿Cómo se mide la masa del electrón con mucha precisión?

Esta semana les mostré a mis alumnos de secundaria que si sumas la masa de un protón y la masa de un electrón, el resultado es mayor que la masa de un átomo de hidrógeno, debido a que la energía de enlace es negativa. Usé medidas muy precisas de las masas, y un estudiante preguntó cómo se hacen realmente estas medidas. Investigué un poco y descubrí cómo puedes hacerlo con las trampas de Penning, pero en el caso de un electrón, en realidad usas un ion de carbono con solo un electrón, como se describe aquí: https://www.mpg.de/ 7961020/electrón-masa

Me parece que si usas un electrón unido a un núcleo, hay energía de enlace involucrada. Si se deshace de él mediante cálculos de física cuántica, entonces no puede usar este resultado para demostrar que sumando las masas de un protón y un electrón da una masa menor que la masa de un átomo de hidrógeno. Sería un argumento circular.

¿Hay otra forma de determinar la masa de un electrón con mucha precisión (no como lo hizo Millikan), sin ninguna energía de enlace involucrada?

La "respuesta estándar" podría ser "si apesta, es química; si se retuerce, es biología; si no funciona, es física". Hacer cualquier medida de alta precisión en física es muy difícil. Intente medir la velocidad de la luz: fácil para un par de higos sig, pero después de eso necesita un tubo de vacío para eliminar el efecto de una atmósfera no uniforme, etc., seguido de velocidades de fase frente a grupo, y así sucesivamente.
En realidad, ¿dónde encontraste las medidas precisas? En realidad, la masa del electrón se puede ver cuánto voltio necesitas aplicar a un acelerador de partículas para obtener la producción de pares. Personalmente, me sorprendería si pudieras medir el peso de un átomo de hidrógeno con la suficiente precisión.
Usas una escala muy, muy pequeña.

Respuestas (2)

El experimento que mencionaste mide la masa del electrón de manera indirecta: no mide la masa del electrón, sino el momento magnético (ver nota al pie). Esta es una propiedad que puede ser predicha por la teoría (QED) con mucha precisión. La mayor incertidumbre en el momento magnético pronosticado proviene de la incertidumbre en la masa del electrón (más precisamente: la masa del electrón libre). Así que los experimentadores le dieron la vuelta: dado que la medición es más precisa que el valor predicho teóricamente, pueden imponer restricciones a la masa del electrón. Realizaron experimentos adicionales para probar otras predicciones por QED, para estar seguros de que QED funciona en este régimen. Trabajé en uno de los experimentos de seguimiento que realizaron estas pruebas adicionales de QED.

La medición de masa directa más precisa del electrón que conozco (¡han pasado algunos años!) Es una comparación directa de frecuencia de ciclotrón entre el carbono-6+ y un electrón libre en la misma trampa , pero aquí todavía tienes para tener en cuenta la energía de enlace del ion de carbono.

Pero esto no es un problema, porque la energía de enlace se puede medir de forma independiente a través de espectroscopía de rayos X o láser (o se puede calcular con QED).

Nota al pie : La medida es un gramo -medición factorial, similar en espíritu a la gramo − 2 medida que se ha publicado recientemente para el muón. En el caso muónico, parece haber una discrepancia entre el QED y la medición. Todavía no se han encontrado tales discrepancias para el electrón, pero, por supuesto, ¡es aún más emocionante volver a observar el electrón!

Tu respuesta es muy interesante. ¿Significa que no hay forma de mostrar la existencia de energía de enlace midiendo masas? Supongo que esta sería otra pregunta, pero es lo que motivó mi pregunta en primer lugar. Mi objetivo era mostrar a mis alumnos experimentalmente que la masa de un átomo no es simplemente la suma de las masas de protones, neutrones y electrones que lo constituyen.
@Physicsteacher Es simplemente una cuestión de cómo medir la masa de cada partícula con suficiente exactitud y precisión para poder "ver" la contribución de la energía de enlace.

El experimento de Millikan determinó solo la carga del electrón. Si desea una determinación más precisa, había esta pregunta ¿ Cómo lograron los científicos medir la carga del electrón con tanta precisión?

La carga específica de un electrón. mi metro mi se pueden encontrar viendo cuánto son desviados por un campo magnético dado. La velocidad de los electrones se encuentra a partir del voltaje de aceleración conocido.

https://www.niser.ac.in/sps/sites/default/files/basic_page/Specific%20charge%20of%20electron.pdf (y espectrometría de masas)

Entonces, como se conoce la carga, se puede deducir la masa del electrón.

Dependiendo de cuán preciso lo desee, también hay una manera aquí https://en.wikipedia.org/wiki/Electron_rest_mass#Determination que determina la masa del electrón a partir de la constante de Rydberg.

Gracias por tu respuesta. Debería haber sido más específico: no estoy interesado en determinar la masa del electrón de esta manera, porque el resultado no es lo suficientemente preciso para mostrar una diferencia entre la masa del átomo de hidrógeno y la suma de las masas de un electrón. y un protón.
¿Estás pensando que el experimento de Millikan no es lo suficientemente preciso o involucra la energía de enlace de alguna manera? (también una edición de la respuesta publicó un enlace para dar una determinación más precisa del cargo)
¿Se mide e/m con mucha precisión? Lo necesitarías para obtener un valor muy preciso de la masa, al conocer la carga. No pude encontrar ninguna información sobre la mayor precisión lograda.
No estoy seguro de la precisión de e/m, lo siento, si la espectrometría de masas no es lo suficientemente precisa, tal vez el método de "campos cruzados" podría ser una mejora. De lo contrario, el método constante de Rydberg mencionado podría ser el camino a seguir... todo lo mejor con él
¿Cómo se mide la masa del electrón con mucha precisión?
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