Ο ακριβέστερος προσδιορισμός της μάζας του ηλεκτρονίου

Posted on 02/03/2014

0


nature13026-f1

Η πειραματική διάταξη περιλάμβανε τριπλή παγίδα ιόντων Penning

Ο μέτρηση της μάζας του ηλεκτρονίου με όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ακρίβεια αποτελεί το αντικείμενο πολλών ερευνών στις τελευταίες δεκαετίες.

Ο λόγος είναι ότι, η μάζα του ηλεκτρονίου me  , είναι μια από τις παραμέτρους στο καθιερωμένο πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων, που είναι υπεύθυνες για την προβλεπτική ισχύ του, αλλά και στο γεγονός ότι η μάζα του ηλεκτρονίου είναι γενικά κυρίαρχη στον μικρόκοσμο, όντας υπεύθυνη για τη δομή και τις ιδιότητες ατόμων και μορίων.

Επίσης είναι στενά συνδεδεμένη με άλλες θεμελιώδεις σταθερές, όπως η σταθερά Rydberg και η σταθερά λεπτής υφής α.

Ωστόσο η μικρή τιμή της μάζας του ηλεκτρονίου δυσκολεύει πολύ τον ακριβή προσδιορισμό της.

Μια ομάδα φυσικών υπό την καθοδήγηση του Sven Sturm του ινστιτούτου πυρηνικής φυσικής Max Planck, πραγματοποίησαν τον ακριβέστερο προσδιορισμό της μάζας του ηλεκτρονίου που έγινε μέχρι σήμερα. Ο προσδιορισμός έγινε συνδυάζοντας τα αποτελέσματα μετρήσεων περιστροφής ιόντων άνθρακα-12 (με ένα μόνο ηλεκτρόνιο) σε μαγνητικό πεδίο σε συνδυασμό με θεωρητικούς υπολογισμούς.

Οι μετρήσεις της μάζας του ηλεκτρονίου γίνεται χρησιμοποιώντας τις λεγόμενες παγίδες PenningΤέτοιου είδους οι μετρήσεις έγιναν για πρώτη φορά το 1980 και συνεχίστηκαν δίνοντας αποτελέσματα με όλο και μεγαλύτερη ακρίβεια. 

penning trapΣε μια παγίδα Penning (αριστερά), εξαιτίας του μαγνητικού πεδίου (μαύρο διάνυσμα) ένα ιόν άνθρακα-12 (με ένα μόνο ηλεκτρόνιο: 12C5+) ακολουθεί την ελικοειδή τροχιά (δεξιά).
Η συχνότητα περιστροφής του ιόντος μέσα στο μαγνητικό πεδίο υπολογίζεται από την εξίσωση:
\nu_{cyc} = \frac{1}{2 \pi} \frac{q}{m_{ion}} B
όπου mion η μάζα του ιόντος και q το ηλεκτρικό του φορτίο. Η τροχιά του ιόντος  – αν δεν υπήρχε η μεταπτωτική κίνηση εξαιτίας του σπιν του ηλεκτρονίου – φαίνεται στο παραπάνω σχήμα με πράσινο χρώμα.

Η συχνότητα της μετάπτωσης του σπιν του ηλεκτρονίου εξαρτάται από την μαγνητική ροπή του μe ως εξής:
\nu_{L} = \frac{2 \mu_{e} B}{h} = \frac{g}{4 \pi} \frac{e}{m_{e}} B
όπου me η μάζα του ηλεκτρονίου και g ένας αδιάστατος παράγοντας (σχεδόν ίσος με 2), που μπορεί να υπολογιστεί με πολύ μεγάλη ακρίβεια θεωρητικά.

Αν είναι ο γνωστός ο λόγος των δυο αυτών συχνοτήτων τότε η μάζα του ηλεκτρονίου me υπολογίζεται από την εξίσωση:
m_{e} = \frac{g}{2} \frac{e}{q} \frac{\nu_{cyc}}{\nu_{L}}m_{ion} = \frac{g}{2} \frac{e}{q} \frac{1}{\Gamma}m_{ion}
όπου το Γ εκφράζει τον λόγο νL/ νcyc που προσδιορίζεται πειραματικά, ενώ ο παράγοντας g υπολογίζεται θεωρητικά χρησιμοποιώντας την κβαντική ηλεκτροδυναμική (QED).

Η τιμή που προέκυψε από τις πειραματικές μετρήσεις, σε συνδυασμό με τους θεωρητικούς υπολογισμούς της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής (σε ατομικές μονάδες μάζας) είναι:

me = 0,000 548 579 909 067 u

και έχει 13 φορές περισσότερη ακρίβεια σε σχέση με την μέχρι σήμερα αποδεκτή τιμή.

Πρόκειται για ένα αποτέλεσμα εκπληκτικής ακρίβειας και πλέον όταν θα συγκρίνουμε τη μάζα του πρωτονίου με αυτή του ηλεκτρονίου θα λέμε ότι το πρωτόνιο είναι

1836,15267377 φορές

βαρύτερο από το ηλεκτρόνιο!

ΠΗΓΕΣ: nature.com – www.mpg.de