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电子的质量到底有多小?地球上全部电子的总质量有多大?

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提到电子,相信大家都不陌生,毕竟我们都知道,构成世间万物的原子,其实就是由原子核和电子构成。那么,电子的质量到底有多小?地球上全部电子的总质量又有多大呢?下面我们就来讨论一下这两个问题。



对于我们人类来讲,原子的质量已经是非常小的概念了,而原子内部的电子,其质量更是小得离谱,尽管如此,科学家仍然通过巧妙的方法计算出了电子的质量,怎么做到的呢?

首先我们需要知道“荷质比”这个概念,简而言之,所谓“荷质比”其实就是带电粒子的电荷量与质量的比值,对于电子而言,它们的“荷质比”是一个固定的数值,这可以通过实验得到的数据来进行计算。



其原理可概括为,由于电子的运动会因为受到磁场的影响而发生偏转,在此过程中,其“荷质比”与电子的速度、电子偏转的半径以及磁场的强度存在着确定的对应关系,因此只要通过实验测量出这几个数据,就可以计算出电子的“荷质比”。

而在知道了电子的“荷质比”之后,我们只需要再测量出电子的电荷量,就可以计算出电子的质量了。那电子的电荷量又是怎么测量的呢?这就要提到著名的“密立根油滴实验 ”了。

简单来讲,该实验的装置由两块平行的金属板组成,中间有一定的距离,可以通过电源产生一个均匀的电场,金属板上有一个小孔,用于喷射细小的带电油滴。



在这个电场之中,带电的油滴会受到向上的电场力,实验者通过调节电场的大小,使得油滴受到的电场力刚好与它受到的重力平衡,如此一来,就可以让油滴悬浮在两块金属板之间,而在这种情况下,带电油滴的电荷量就是可测量的,实验者通过大量的测量,就可以发现,所有测得的电荷量都是一个基本单位的整数倍,而这个基本单位,其实就是电子的电荷。

正是通过上述的方法,科学家计算出了电子的质量约为9.10956乘以10的负31次方千克,这是什么概念呢?

这样说吧,假如我们有一粒质量为1克的花生米,现在我们将这颗花生米的质量缩小到与电子一样大,那么按照同等比例缩小的话,整个地球的质量就将缩小成只有大约5.4克。据此我们也可以清楚地看到,电子的质量到底小到了什么程度。

尽管电子的质量小得离谱,但在地球上,它们的数量却非常多,实际上,想要估算出地球上全部电子的总质量有多大,其实有一个相对简便的方法。我们先来看一张图。



这是已知元素及其同位素的质子中子数散点图,其中“Z”代表质子,“N”代表中子,可以看到,当原子序数较小时,中子数和质子数的比例几乎都是1比1,而随着原子序数的升高,中子数的比例会出现一定程度的升高。

构成地球的主要元素有铁(32.1%)、氧(30.1%)、硅(15.1%)、镁(13.9%)、硫(2.9%)、镍(1.8%)、钙(1.5%),可以看到,这些元素的原子序数都是比较小的,所以它们的中子数和质子数的比例可以认为是1比1,不过考虑到构成地球的其它元素,我们还是可以将中子数的比例稍微算高一点点,将中子数和质子数的比例估算为51比49。

另一方面来讲,由于地球的电离度非常低,大概只有一千亿亿亿分之一,所以我们可以粗略地认为,地球在整体上是一个电中性的物体,也就是说,在地球上的电子数量与质子数量是相等的。



根据上述的估算,地球的质量就有大约51%是由中子构成,而剩下49%的质量,则是质子和电子。根据科学家的测量,质子的质量约为1.6726乘以10的负27次方千克,简单计算一下可知,质子的质量大约是电子的1836倍。也就是说,在剩下49%的质量之中,电子的质量大约占到了1837分之1。

地球的质量是已知的,大约是5.965乘以10的24次方千克,据此我们就可以计算出,地球上全部电子的总质量大约是1.59乘以10的21次方千克,也就是159亿亿吨,作为对比,地球表面的水量,大概有130亿亿吨。当然了,这只是一种粗略的估算,所以大家看看就成,不必太过当真。

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