En física de partículas , la masa del electrón (símbolo: m e ) es la masa de un electrón estacionario , también conocida como masa invariante del electrón. Es una de las constantes fundamentales de la física . Tiene un valor de aproximadamente9,109 × 10 −31 kilogramos o aproximadamente5,486 × 10 −4 daltons , que tiene un equivalente energético de aproximadamente8,187 × 10 −14 julios o aproximadamente0,5110 MeV . [3]
El término "masa en reposo" se utiliza a veces porque en la relatividad especial se puede decir que la masa de un objeto aumenta en un marco de referencia que se mueve en relación con ese objeto (o si el objeto se mueve en un marco de referencia dado). La mayoría de las mediciones prácticas se llevan a cabo en electrones en movimiento. Si el electrón se mueve a una velocidad relativista , cualquier medición debe utilizar la expresión correcta para la masa. Tal corrección se vuelve sustancial para electrones acelerados por voltajes de más de100kV .
Por ejemplo, la expresión relativista para la energía total, E , de un electrón que se mueve a una velocidad v es donde
Esta cantidad m e es invariante respecto del marco de referencia e independiente de la velocidad. Sin embargo, algunos textos [ ¿cuáles? ] agrupan el factor de Lorentz con el factor de masa para definir una nueva cantidad llamada masa relativista , m relativista = γm e . [ cita requerida ]
Dado que la masa del electrón determina una serie de efectos observados en la física atómica, potencialmente hay muchas maneras de determinar su masa a partir de un experimento, si ya se consideran conocidos los valores de otras constantes físicas.
Históricamente, la masa del electrón se determinaba directamente combinando dos mediciones. La relación masa-carga del electrón fue estimada por primera vez por Arthur Schuster en 1890 midiendo la desviación de los "rayos catódicos" debido a un campo magnético conocido en un tubo de rayos catódicos . Siete años después, JJ Thomson demostró que los rayos catódicos consisten en corrientes de partículas, que se denominarían electrones, y realizó mediciones más precisas de su relación masa-carga utilizando nuevamente un tubo de rayos catódicos.
La segunda medida fue la de la carga del electrón, determinada con una precisión de más del 1 % por Robert A. Millikan en su experimento de la gota de aceite en 1909. Junto con la relación masa-carga, se determinó la masa del electrón con una precisión razonable. El valor de la masa que se encontró para el electrón sorprendió inicialmente a los físicos, ya que era muy pequeño (menos del 0,1 %) en comparación con la masa conocida de un átomo de hidrógeno.
La masa en reposo del electrón se puede calcular a partir de la constante de Rydberg R ∞ y la constante de estructura fina α obtenida mediante mediciones espectroscópicas. Utilizando la definición de la constante de Rydberg:
de este modo
donde c es la velocidad de la luz y h es la constante de Planck . [4] La incertidumbre relativa, 5 × 10 −8 en el valor recomendado por CODATA en 2006 , [5] se debe enteramente a la incertidumbre en el valor de la constante de Planck. Con la redefinición del kilogramo en 2019, ya no queda ninguna incertidumbre por definición en la constante de Planck.
La masa atómica relativa del electrón se puede medir directamente en una trampa de Penning . También se puede inferir a partir de los espectros de átomos de helio antiprotónicos ( átomos de helio en los que uno de los electrones ha sido reemplazado por un antiprotón ) o a partir de mediciones del factor g del electrón en los iones hidrogenados 12 C 5+ o 16 O 7+ .
La masa atómica relativa del electrón es un parámetro ajustado en el conjunto CODATA de constantes físicas fundamentales, mientras que la masa en reposo del electrón en kilogramos se calcula a partir de los valores de la constante de Planck, la constante de estructura fina y la constante de Rydberg, como se detalla anteriormente. [4] [5]
La masa del electrón se utilizó para calcular la constante de Avogadro N A antes de que su valor se fijara como constante definitoria en la revisión de 2019 del SI :
Por lo tanto, también está relacionado con la constante de masa atómica m u :
dónde
m u se define en términos de A r (e) , y no al revés, por lo que el nombre "masa del electrón en unidades de masa atómica" para A r (e) implica una definición circular (al menos en términos de mediciones prácticas).
La masa atómica relativa del electrón también entra en el cálculo de todas las demás masas atómicas relativas. Por convención, las masas atómicas relativas se citan para átomos neutros, pero las mediciones reales se realizan en iones positivos , ya sea en un espectrómetro de masas o en una trampa de Penning . Por lo tanto, la masa de los electrones debe agregarse nuevamente a los valores medidos antes de la tabulación. También debe realizarse una corrección para el equivalente de masa de la energía de enlace E b . Tomando el caso más simple de ionización completa de todos los electrones, para un nucleido X de número atómico Z , [4]
Como las masas atómicas relativas se miden como relaciones de masas, las correcciones deben aplicarse a ambos iones: las incertidumbres en las correcciones son insignificantes, como se ilustra a continuación para el hidrógeno 1 y el oxígeno 16.
El principio puede demostrarse mediante la determinación de la masa atómica relativa del electrón por Farnham et al. en la Universidad de Washington (1995). [6] Implica la medición de las frecuencias de la radiación ciclotrónica emitida por los electrones y por 12 iones C 6+ en una trampa de Penning. La relación entre las dos frecuencias es igual a seis veces la relación inversa de las masas de las dos partículas (cuanto más pesada sea la partícula, menor será la frecuencia de la radiación ciclotrónica; cuanto mayor sea la carga de la partícula, mayor será la frecuencia):
Como la masa atómica relativa de 12 iones C 6+ es casi 12, la relación de frecuencias se puede utilizar para calcular una primera aproximación a A r (e),5,486 303 7178 × 10 −4 . Este valor aproximado se utiliza luego para calcular una primera aproximación a A r ( 12 C 6+ ), sabiendo que (a partir de la suma de las seis energías de ionización del carbono) es1.105 8674 × 10 −6 : Ar ( 12 C 6+ ) ≈11.996 708 723 6367 . Este valor se utiliza luego para calcular una nueva aproximación a A r (e), y el proceso se repite hasta que los valores ya no varíen (dada la incertidumbre relativa de la medición, 2.1 × 10 −9 ): esto sucede en el cuarto ciclo de iteraciones para estos resultados, dando A r (e) =5.485 799 111 (12) × 10 −4 para estos datos.
