Elektron auf der Waage

Die atomare Masseneinheit ist eine willkürlich festgesetzte Größe. Sie beträgt ein Zwölftel der Masse des Kohlenstoff-Isotops C-12 und setzt sich somit aus den Massen der drei Bausteine des Atoms – Protonen, Neutronen und Elektronen – zusammen. Ein Proton ist etwas leichter als ein Neutron, nämlich um gut 0,1%. Dies ist der Hauptgrund, dass die relativen Atommassen der chemischen Elemente nicht exakt mit ihren Ordnungszahlen korrelieren und das Wasserstoffatom z.B. nicht den Wert 1, sondern (ungefähr) 1,008 hat. Auch die Elektronen leisten ihren Beitrag zur Atommasse, allerdings beträgt ihre Masse nur gut 0,05% der Masse eines Protons oder Neutrons.

Die Elektronenmasse wurde nun von Physikern um Sven Sturm und Klaus Blaum in Heidelberg und Mainz neu bestimmt und dabei von früher (ca.) 9,109.383•10²⁸ g auf 9,109.410•10²⁸ g korrigiert. Diese Korrektur ist zwar absolut sehr gering, aber relativ groß, weil sie bereits bei der fünften Ziffer (von links) erfolgte. (Zum Vergleich: Korrekturen der Kreiszahl π erfolgen heute bei Dezimalen im Bereich > 10¹³).

Die beteiligten Kernphysiker hatten in einem Experiment bei einem ¹²C-Atom fünf der sechs Elektronen entfernt und so ein fünffach geladenes Ion erhalten, das sie in eine sog. Penningfalle steckten, ein tiefgekühltes Vakuumgefäß, an das ein Magnetfeld angelegt wird: In der Penningfalle beginnt ein Ion auf einer Kreisbahn zu rotieren. Die Geschwindigkeit des Ions steht dabei sowohl in einem Zusammenhang mit seiner Masse als auch mit der Stärke des Magnetfeldes. Das Elektron des Ions interagiert zusätzlich mit dem Magnetfeld, weil sein Spin wie ein winziger Magnet wirkt. Durch den Spin versetzt es das Ion in eine Kreiselbewegung, die wiederum in Beziehung zur Masse des Elektrons steht. Aus der Bewegung des Ions, die sich trotz ihrer rasenden Geschwindigkeit genau aufzeichnen lässt, lässt sich daher die Masse des Elektrons berechnen.

Der neue Messwert dürfte auf lange Zeit den Ansprüchen der Physiker genügen. 

Quelle: Sturm S, et al. High-precision measurement of the atomic mass of the electron. Nature 2014;506:467–470.