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電子的質素到底有多小?地球上全部電子的總質素有多大?

2024-03-02科學

提到電子,相信大家都不陌生,畢竟我們都知道,構成世間萬物的原子,其實就是由原子核和電子構成。那麽,電子的質素到底有多小?地球上全部電子的總質素又有多大呢?下面我們就來討論一下這兩個問題。

對於我們人類來講,原子的質素已經是非常小的概念了,而原子內部的電子,其質素更是小得離譜,盡管如此,科學家仍然透過巧妙的方法計算出了電子的質素,怎麽做到的呢?

首先我們需要知道「電荷質量比」這個概念,簡而言之,所謂「電荷質量比」其實就是帶電粒子的電荷量與質素的比值,對於電子而言,它們的「電荷質量比」是一個固定的數值,這可以透過實驗得到的數據來進行計算。

其原理可概括為,由於電子的運動會因為受到磁場的影響而發生偏轉,在此過程中,其「電荷質量比」與電子的速度、電子偏轉的半徑以及磁場的強度存在著確定的對應關系,因此只要透過實驗測量出這幾個數據,就可以計算出電子的「電荷質量比」。

而在知道了電子的「電荷質量比」之後,我們只需要再測量出電子的電荷量,就可以計算出電子的質素了。那電子的電荷量又是怎麽測量的呢?這就要提到著名的「密立根油滴實驗 」了。

簡單來講,該實驗的裝置由兩塊平行的金屬板組成,中間有一定的距離,可以透過電源產生一個均勻的電場,金屬板上有一個小孔,用於噴射細小的帶電油滴。

在這個電場之中,帶電的油滴會受到向上的電場力,實驗者透過調節電場的大小,使得油滴受到的電場力剛好與它受到的重力平衡,如此一來,就可以讓油滴懸浮在兩塊金屬板之間,而在這種情況下,帶電油滴的電荷量就是可測量的,實驗者透過大量的測量,就可以發現,所有測得的電荷量都是一個基本單位的整數倍,而這個基本單位,其實就是電子的電荷。

正是透過上述的方法,科學家計算出了電子的質素約為9.10956乘以10的負31次方千克,這是什麽概念呢?

這樣說吧,假如我們有一粒質素為1克的花生米,現在我們將這顆花生米的質素縮小到與電子一樣大,那麽按照同等比例縮小的話,整個地球的質素就將縮小成只有大約5.4克。據此我們也可以清楚地看到,電子的質素到底小到了什麽程度。

盡管電子的質素小得離譜,但在地球上,它們的數量卻非常多,實際上,想要估算出地球上全部電子的總質素有多大,其實有一個相對簡便的方法。我們先來看一張圖。

這是已知元素及其同位素的質子中子數散點圖,其中「Z」代表質子,「N」代表中子,可以看到,當原子序數較小時,中子數和質子數的比例幾乎都是1比1,而隨著原子序數的升高,中子數的比例會出現一定程度的升高。

構成地球的主要元素有鐵(32.1%)、氧(30.1%)、矽(15.1%)、鎂(13.9%)、硫(2.9%)、鎳(1.8%)、鈣(1.5%),可以看到,這些元素的原子序數都是比較小的,所以它們的中子數和質子數的比例可以認為是1比1,不過考慮到構成地球的其它元素,我們還是可以將中子數的比例稍微算高一點點,將中子數和質子數的比例估算為51比49。

另一方面來講,由於地球的電離度非常低,大概只有一千億億億分之一,所以我們可以粗略地認為,地球在整體上是一個電中性的物體,也就是說,在地球上的電子數量與質子數量是相等的。

根據上述的估算,地球的質素就有大約51%是由中子構成,而剩下49%的質素,則是質子和電子。根據科學家的測量,質子的質素約為1.6726乘以10的負27次方千克,簡單計算一下可知,質子的質素大約是電子的1836倍。也就是說,在剩下49%的質素之中,電子的質素大約占到了1837分之1。

地球的質素是已知的,大約是5.965乘以10的24次方千克,據此我們就可以計算出,地球上全部電子的總質素大約是1.59乘以10的21次方千克,也就是159億億噸,作為對比,地球表面的水量,大概有130億億噸。當然了,這只是一種粗略的估算,所以大家看看就成,不必太過當真。