世间万物由原子构成,再将原子拆开,就会得到原子核与核外电子。
电子是一种基本粒子,质量只有9.10956乘以10的负31次方千克,如此小的质量,我们很难找到一种合适的方法对其进行形象的描述。既然连描述都困难,我们又是如何称出电子质量的呢?电子的质量当然不是称出来的,而是通过实验测量,计算得出的。当电子在磁场中运动时,会因磁场的影响而发生偏转,而电子的运动速度、偏转半径以及磁场强度,这三个数据与“荷质比”存在着确定的对应关系。
什么是“荷质比”呢?所谓荷质比就是带电粒子的电荷量与质量的比值。
通过测量电子的运动速度、偏转半径及磁场强度,就可以计算得出电子的荷质比,有了荷质比,只需要再知道电子的电荷量,就可以轻松计算出电子的质量了。那么电子的电荷量又该如何测量呢?这的确有点难度,不过“密立根油滴实验”可以解决这个难题。该实验装置并不复杂,先取两块金属板,以一定距离平行放置,然后通过电源产生一个均匀的电场,最后通过金属板上的小孔向其间发射带电油滴。
油滴会因为重力的作用而向下滴落,但是位于电场中的油滴除了受到一个向下的重力之外,还受到了一个向上的电场力。
这意味着实验者可以通过调节电场的强度,来使油滴所受的电场力与重力达到平衡,这样一来,油滴就可以悬浮在两块金属板之间了。在这样的情况之下,就可以对悬浮油滴的电荷量进行测量。当然,大量的测量之后会得到大量不同的数据,而这些数据都有一个共同点,就是可以被一个基本单位整除,而这个基本单位就是电子的电荷。电子的荷质比与电荷量都有了,自然就可以计算出电子的质量了。
电子的质量虽然很小,但地球上电子的数量却非常之多,如果把地球上所有的电子都集中在一起,它们的总重量有多大呢?
当然,我们不可能把所有的电子都集中在一起进行测量,所以这个问题的答案还是要通过计算才能够得到。首先,我们知道地球的总重量为5.965乘以10的24次方千克,接下来我们只要弄清楚电子占据地球总重量的百分比,自然就能够计算出电子的质量了。
我们的地球是由94种不同的元素组成的,不过其中大部分的元素占比都很小,而占大头的无非就是铁、氧、硅、镁、硫、镍、钙几种,它们大概占据了地球总质量的97%。
这些占据大头的元素有着一个共同的特征,就是它们的中子数和质子数都非常接近,笼统来讲,我们可以认为质子与中子数量相等。此外,地球的整体电离度很低,所以我们可以认为地球是电中性的,所以地球的电子数量与质子数量也应该是相等的。
地球上质子的总质量是已知的,因为科学家们曾经进行过测量,约为1.6726乘以10的负27次方千克。
地球上的质子数与中子数相等,质子数与电子数也相等,地球的质量又是确定的,由此就可以计算出电子的质量约为质子质量的1800分之一,所以地球上电子的总质量就在150亿亿吨左右。一个电子的质量微小到既没有办法称量,也没有办法描述,但地球上所有电子加在一起,总重量却如此庞大,要知道,地球大气的总质量才不过5.5亿吨,远不能与电子重量相比。
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