在上一节课中,我们聊到了相对原子质量这个概念,它实际上就是用来比较不同原子之间质量大小的工具。当我们知道了其中一个原子的质量,我们就可以借助这个桥梁,算出其他原子的质量了。
那么问题来了,我们该如何得知其中一个原子的质量呢?这就涉及到我们要探讨的电子电荷测量问题了。
时间回到19世纪中期,法拉第在电解实验中,发现了一个重要的规律:原子的质量和单位电荷的比值。以氢原子为例,我们知道了氢原子与单位电荷的比值是1.044×10^-8千克/库仑。
在此之前,法拉第并不清楚单位电荷到底是什么,但在发现电子之后,我们才知道这个单位电荷其实就是电子所携带的电荷。每一个电子的电荷值都是这个单位电荷。
现在的问题就转化为了如何测量电子的电荷。在发现电子后,他的实验室——卡文迪许实验室的重要工作就是进行这项测量。
我们先来了解一下威尔逊云室。威尔逊是的学生,他在卡文迪许实验室时,发现不需要尘埃颗粒,带电粒子也可以作为凝结核使得空气中的水蒸汽凝结成小水珠。这个现象的发现,为我们提供了观察亚原子粒子的途径。
威尔逊据此发明了云室,使我们能够清晰地看到粒子的径迹。这种设备为早期的粒子物理学发展做出了巨大的贡献。
那么,如何测量电子的电荷呢?在云室中,科学家们通过观察带电离子经过云室时凝结形成的水滴,来测量这些小水滴的荷质比,再通过测量水滴的质量,就能算出离子所携带的电荷。而电子的电荷就是最基本的单位电荷。
虽然一开始测量的数据存在不确定性,但科学家们如密里根并没有放弃。他使用了矿物油代替水蒸汽,进行了所谓的油滴实验。这个实验的最大改进是,油滴可以在云室中长时间保持质量不变,并且我们可以对单颗油滴进行研究。
通过多次上升和下降的实验操作,密里根最终测量出了电子的电荷平均值为1.592×10^-19库仑。这个值非常准确。
现在我们已经有了电子的电荷值,就可以进一步算出电子的质量、原子的质量和体积等。比如氢原子的质量与单位电荷的比值是1.044×10^-8千克/库仑除以电子的电荷值。同时我们还可以通过电解现象来研究原子的构成和性质。
法拉第在电解实验中发现了生成氧气和氢气的速率之比与他们的分子质量成反比的关系。这个发现帮助我们进一步了解了原子的构成和电解过程中的电化学规律。
通过测量电子的电荷,我们能够更深入地了解原子的构成和性质。虽然目前我们不再直接测量电子的电荷值,但油滴实验仍然是科学研究中非常重要的实验之一。
至此,我们已对相对原子质量和电子电荷有了较深入的理解和探索。科学的魅力就在于此,每一个小小的发现都可能带领我们走向新的认知领域。期待我们在科学的道路上不断探索、发现更多未知的奥秘。