地球上所有的电子堆起来有多大体积?科学家:远远没有一只蚂蚁大

地球上所有的电子堆起来有多大体积?与一只蚂蚁相比大小如何?对于这个问题,相信有不少人都会认为,虽然单个电子的体积很小,但地球上的电子数量却非常庞大,因此它们的总体积应该比一只蚂蚁大才对(www.tingLa.net)。

不得不说,这是一个符合我们直觉的推测,然而科学家多年来的研究成果却清楚地告诉了我们:即使把地球上所有的电子堆起来,其体积也远远没有一只蚂蚁大。具体是怎么回事呢?且看下文分析。

一个电子有多大体积?

尽管科学家早就已经通过实验证明了电子是有半径的,但是电子的半径究竟有多大,至今仍然没有得出一个确定的数值。

刚开始的时候,科学家在电子轰击实验中,利用电子的散射测出电子的半径不大于10^(-18)米,这个值沿用了很长一段时间,直到1989年,物理学家汉斯·德默尔特又利用“离子势阱技术”测出了一个更低的半径值:不大于10^(-22)米。我们不妨就取这个值。

2014年的一项名为“ACME”(Advanced Cold Molecule Electron EDM,先进冷分子电子电偶极矩)的研究表明,电子的对称破缺的概率不会超过十亿分之一的十亿分之一的十亿分之一,换句话来讲就是:电子是一种几乎完美的球体。

根据球体公式我们就可以计算出,一个电子的体积约为:4.2 x 10^(-66)立方米。

地球上所有电子的数量是多少?

很明显,直接去数地球上的电子是不现实的,不过我们有一个简单的估算方法,那就是用“地球的质量”乘以“地球质量中电子所占的比例”,然后将这个值除以“单个电子的质量”,就可以得到一个近似的答案了。

1798年,物理学家亨利·卡文迪许通过“卡文迪许扭秤”测出了引力常量的数值,并根据万有引力定律计算出了地球的质量为5.965 x 10^24千克。

单个电子的质量,则来自于物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊和罗伯特·安德鲁·密立根,其中前者测量出了电子的电子的“荷质比”(即电子的电荷量与质量的比值,这是一个固定的数值)为1.758×10^11库仑/千克,后者则测量出了单个电子的电荷量为1.602176565(35) x 10^(-19)库仑,据此就可以计算出,单个电子的质量为9.10956 x 10^(-31)千克。

再后来,科学家又在实验中测得质子和中子的质量分别为1.672621637 x 10^(-27)千克、1.674927471 x 10(^27)千克。

由于地球物质的原子都是由质子、中子以及电子构成,其中质子和中子的比例大约为49:51,而电子的数量又基本上与质子数量相等,据此我们就可以计算出,地球质量中电子所占的比例约为3600分之1。

至此我们就得到以上估算方法所需的所有数值,简单计算后就可以得出,地球上大约有1.8 x 10^51个电子。

地球上所有的电子堆起来的体积,与一只蚂蚁相比大小如何?

我们将地球上所有电子的数量乘以单个电子的体积,就可以得到地球上所有电子的总体积约为7.56 x 10^(-13)立方米。

考虑到球体堆积问题,这个电子堆的体积还要大一些,对于一大堆球体而言,不同的堆积模式,球体的空间占用率是不同的,其中占用空间较大的是一种被称为“简单立方堆积”的模式。

如上图所示,在简单立方堆积模式中,球体的空间占用率为52%左右,假设我们将地球上所有的电子以这种模式堆起来,那么它们所占据的空间体积就大约是1.45 x 10^(-12)立方米。那一只蚂蚁的体积是多少呢?我们不妨以地球上最小的蚂蚁为例。

贼蚁(Solenopsis molesta)是目前已知的体型最小的蚂蚁,其工蚁的体长一般只有3至5毫米,然而即使如此小的蚂蚁,它们的体积至少也有5 x 10^(-10)立方米,这是上述地球上所有的电子堆起来的体积的300多倍。

结语

是的,电子就是这样小得令人吃惊,即使把地球上所有的电子都堆起来,它们的体积都远远没有一只蚂蚁大。当然了,体积是一回事,质量又是另一回事,通过前面提到的数据我们可以轻易地计算出,地球上所有电子的质量约为1.6 x 10^21千克,也就是160亿亿吨,这可是蚂蚁完全无法与之相比的。

好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

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