Как найти массу электрона по количеству

1. 

   1

   Understand how atomic mass is represented. Atomic mass, the mass of a given atom or molecule, can be expressed in standard SI mass units – grams, kilograms, etc. However, because atomic masses, when expressed in these terms, are incredibly small, atomic mass is often expressed in unified atomic mass units (usually shortened to “u” or “amu”) or in Dalton’s (Da). The standard for one atomic mass unit is equal to 1/12th of the mass of a standard carbon-12 isotope.^[3]
   

   • The atomic mass is the number of grams of the element in one mole of atoms of the element. This is a very useful property when it comes to practical calculations, as it allows easy conversion between the mass and moles of a given quantity of atoms or molecules of the same type.

2. 

   2

   Locate atomic mass on the periodic table. Most standard periodic tables list the relative atomic masses (atomic weights) of each element. This is almost always written as a number at the bottom of the element’s square on the table, under its one or two letter chemical symbol. This number is usually expressed as a decimal rather than as a whole number.

   • Note that the relative atomic masses listed on the periodic table are average values for the associated element. Chemical elements have different isotopes – chemical forms that differ in mass because of the addition or subtraction of one or more neutrons to the atom’s nucleus.^[4]
     Thus, the relative atomic mass listed on the periodic table is suitable as an average value for atoms of a certain element, but not as the mass of a single atom of that element.
   • Relative atomic masses, as listed on the periodic table, are used to calculate molar masses for atoms and molecules. Atomic masses, when expressed in amu, as on the periodic table, are technically unitless. However, by simply multiplying an atomic mass by 1 g/mol, a workable quantity is obtained for an element’s molar mass – the mass (in grams) of one mole of an element’s atoms.
   • For example, the atomic mass of iron is 55.847 amu, which means one mole of iron atoms would weigh 55.847 grams.

   Advertisement

3. 

   3

   Understand that periodic table values are an average atomic mass for an element. As has been noted, the relative atomic masses listed for each element on the periodic table are average values of all of an atom’s isotopes. This average value is valuable for many practical calculations – like, for instance, calculating the molar mass of a molecule comprised of several atoms. However, when dealing with individual atoms, this number is sometimes insufficient.

   • Because it’s an average of several different types of isotopes, the value on the periodic table isn’t the exact value for any single atom’s atomic mass.
   • The atomic masses for individual atoms must be calculated by taking into account the exact number of protons and neutrons in a single atom.

Advertisement

1. 

   1

   Find the atomic number of the element or isotope. The atomic number is the number of protons in an element, and never varies.^[5]
   For example, all hydrogen atoms, and only hydrogen atoms, have 1 proton. Sodium has an atomic number of 11 because its nucleus has 11 protons, while oxygen has an atomic number of 8 because its nucleus has 8 protons. You can find the atomic number of any element on the periodic table – in nearly all standard periodic tables: it’s the number above an element’s 1 or 2-letter chemical symbol. This number will always be a positive whole number.

   • Let’s say that we’re working with the carbon atom. Carbon always has 6 protons, so we know its atomic number is 6. We can also see on the periodic table that the square for carbon (C) has a “6” at the top, signifying that carbon’s atomic number is 6.
   • Note that an element’s atomic number doesn’t have any direct bearing on its relative atomic mass as listed on the periodic table. Though, especially among elements at the top of the periodic table, it may seem that an atoms’ atomic mass is about twice its atomic number, atomic mass isn’t ever calculated by doubling an element’s atomic number.

2. 

   2

   Find the number of neutrons in the nucleus. The number of neutrons can vary among atoms of a certain element. While 2 atoms with the same number of protons and differing numbers of neutrons are both the same element, they are different isotopes of that element. Unlike the number of protons in an element, which never changes, the number of neutrons in atoms of a certain element can vary often enough that the average atomic mass of the element must be expressed as a decimal value between two whole numbers.

   • The number of neutrons can be determined by the isotope designation of the element. For example, carbon-14 is a naturally occurring radioactive isotope of carbon-12. You will often see an isotope designated with the number as a superscript before the element symbol: ¹⁴C. The number of neutrons is calculated by subtracting the number of protons from the isotope number: 14 – 6 = 8 neutrons.
   • Let’s say the carbon atom we’re working with has six neutrons (¹²C). This is by far the most common isotope of carbon, accounting for nearly 99% of all carbon atoms.^[6]
     However, about 1% of carbon atoms have 7 neutrons (¹³C). Other types of carbon atoms with more or less than 6 or 7 neutrons exist in very small amounts.

3. 

   3

   Add the proton and neutron count. This is the atomic mass of that atom. Don’t worry about the number of electrons orbiting the nucleus – their combined mass is very, very small, so, in most practical cases, it won’t significantly affect your answer.^[7]
   

   • Our carbon atom has 6 protons + 6 neutrons = 12. The atomic mass of this specific carbon atom is 12. If it was a carbon-13 isotope, on the other hand, we would know that it has 6 protons + 7 neutrons = an atomic weight of 13.
   • The actual atomic weight of carbon-13 is 13.003355^[8]
     , and is more precise because it was determined experimentally.
   • Atomic mass is very close to the isotope number of an element. For basic calculation purposes, isotope number is equal to atomic mass. When determined experimentally, the atomic mass is slightly higher than the isotope number due to the very small mass contribution from electrons.

Advertisement

1. 

   1

   Determine which isotopes are in the sample. Chemists often determine the relative proportions of isotopes in a given sample by using a special tool called a mass spectrometer. However, at student-level chemistry, this information is often provided for you on school tests, etc., in the form of established values from scientific literature.

   • For our purposes, let’s say we’re working with the isotopes carbon-12 and carbon-13.

2. 

   2

   Determine the relative abundance of each isotope in the sample. Within a given element, different isotopes appear in different proportions. These proportions are almost always expressed as percentages. Some isotopes will be very common, while others will be very rare – at times, so rare that they can barely be detected. This information can be determined through mass spectrometry or from a reference book.

   • Let’s say that the abundance of carbon-12 is 99% and the abundance of carbon-13 is 1%. Other carbon isotopes do exist, but they exist in quantities so small that, for this example problem, they can be ignored.

3. 

   3

   Multiply the atomic mass of each isotope by its proportion in the sample. Multiply the atomic mass of each isotope by its percent abundance (written as a decimal). To convert a percentage to a decimal, simply divide it by 100. The converted percentages should always add up to 1.

   • Our sample contains carbon-12 and carbon-13. If carbon-12 makes up 99% of the sample and carbon-13 makes up 1% of the sample, multiply 12 (the atomic mass of carbon-12) by 0.99 and 13 (the atomic mass of carbon-13) by 0.01.
   • A reference book will give percent proportions based on all the known amounts of an element’s isotopes. Most chemistry textbooks include this information in a table at the end of the book. A mass spectrometer can also yield the proportions for the sample being tested.

4. 

   4

   Add the results. Sum the products of the multiplications you performed in the previous step. The result of this addition is the relative atomic mass of your element – the average value of the atomic masses of your element’s isotopes. When discussing an element in general, and not specific isotopes of that element, this value is used.

   • In our example, 12 x 0.99 = 11.88 for carbon-12, while 13 x 0.01 = 0.13 for carbon-13. The relative atomic mass of our example is 11.88 + 0.13 = 12.01.

Advertisement

Advertisement

Things You’ll Need

• Chemistry reference book
• Calculator

Did this summary help you?

Удельный заряд электрона (т. е. отношение ) был впервые измерен Томсоном в 1897 г. с помощью разрядной трубки, изображенной на рис. 74.1. Выходящий из отверстия в аноде А электронный пучок (катодные лучи; см. § 85) проходил между пластинами плоского конденсатора и попадал на флуоресцирующий экран, создавая на нем светящееся пятно.

Подавая напряжение на пластины конденсатора, можно было воздействовать на пучок практически однородным электрическим полем. Трубка помещалась между полюсами электромагнита, с помощью которого можно было создавать на том же участке пути электронов перпендикулярное к электрическому однородное магнитное поле (область этого поля обведена на рис. 74.1 пунктирной окружностью). При выключенных полях пучок попадал на экран в точке О. Каждое из полей в отдельности вызывало смещение пучка в вертикальном направлении. Величины смещений определяются полученными в предыдущем параграфе формулами (73.3) и (73.4).

Включив магнитное поле и измерив вызванное им смещение следа пучка

Томсон включал также электрическое поле и подбирал его значение так, чтобы пучок снова попадал в точку О. В этом случае электрическое и магнитное поля действовали на электроны пучка одновременно с одинаковыми по величине, но противоположно направленными силами. При этом выполнялось условие

Решая совместно уравнения (74.1) и (74.2), Томсон вычислял .

Буш применил для определения удельного заряда электронов метод магнитной фокусировки. Суть этого метода заключается в следующем. Допустим, что в однородном магнитном поле вылетает из некоторой точки слегка расходящийся симметричный относительно направления поля пучок электронов, имеющих одинаковую по величине скорость v. Направления, по которым вылетают электроны, образуют с направлением В небольшие углы а. В § 72 было выяснено, что электроны движутся в этом случае по спиральным траекториям, совершая за одинаковое время

полный оборот и смещаясь вдоль направления поля на расстояние , равное

Рис. 74.1.

Вследствие малости угла а расстояния (74.3) для разных электронов оказываются практически одинаковыми и равными (для малых углов ). Следовательно, слегка расходящийся пучок сфокусируется в точке, отстоящей от точки вылета электронов на расстояние

В опыте Буша электроны, испущенные раскаленным катодом К (рис. 74.2), ускоряются, проходя разность потенциалов U, приложенную между катодом К и анодом А. В результате они приобретают скорость и, значение которой может быть найдено из соотношения

Вылетев затем из отверстия в аноде, электроны образуют узкий пучок, направленный вдоль оси эвакуированной трубки, вставленной внутрь соленоида. На входе в соленоид помещается конденсатор, на который подается переменное напряжение. Поле, создаваемое конденсатором, отклоняет электроны пучка от оси прибора на небольшие изменяющиеся со временем углы а. Это приводит к «завихрению» пучка — электроны начинают двигаться по различным спиральным траекториям. На выходе из соленоида ставится флуоресцирующий экран. Если подобрать магнитную индукцию В так, чтобы расстояние Г от конденсатора до экрана удовлетворяло условию

(l — шаг спирали, — целое число), то точка пересечения траекторий электронов попадет на экран — электронный пучок окажется сфокусированным в этой точке и возбудит на экране резкое светящееся пятно. Если условие (74.6) не соблюдается, светящееся пятно на экране будет размытым. Решив совместно уравнения (74.4), (74.5) и (74.6), можно найти

Наиболее точное значение удельного заряда электрона, установленное с учетом результатов, полученных разными методами, равно

Величина (74.7) дает отношение заряда электрона к его массе покоя . В опытах Томсона, Буша и других аналогичных опытах определялось отношение заряда к релятивистской массе, равной

Рис. 74.2

В опытах Томсона скорость электронов составляла примерно 0,1 с. При такой скорости релятивистская масса превышает массу покоя на 0,5%. В последующих опытах скорость электронов достигала очень больших значений. Во всех случаях было обнаружено уменьшение измеряемых значений с ростом v, происходившее в точном соответствии с формулой (74.8).

Заряд электрона был определен с большой точностью Милликеном в 1909 г. В закрытое пространство между горизонтально расположенными пластинами конденсатора (рис. 74.3) Милликен вводил мельчайшие капельки масла. При разбрызгивании капельки электризовались, и их можно было устанавливать неподвижно, подбирая величину и знак напряжения на конденсаторе.

Равновесие наступало при условии

здесь — заряд капельки, Р — результирующая силы тяжести и архимедовой силы, равная

(74.10)

( — плотность капельки, — ее радиус, — плотность воздуха).

Из формул (74.9) и (74.10), зная , можно было найти . Для определения радиуса измерялась скорость равномерного падения капельки в отсутствие поля. Равномерное движение капельки устанавливается при условии, что сила Р уравновешивается силой сопротивления (см. формулу (78.1) 1-го тома; — вязкость воздуха):

(74.11)

Движение капельки наблюдалось с помощью микроскопа. Для измерения определялось время, за которое капелька проходила расстояние между двумя нитями, видимыми в поле зрения микроскопа.

Точно зафиксировать равновесие капельки очень трудно. Поэтому вместо поля, отвечающего условию (74.9), включалось такое поле, под действием которого капелька начинала двигаться с небольшой скоростью вверх. Установившаяся скорость подъема определяется из условия, что сила Р и сила в сумме уравновешивают силу

(74.12)

Исключив из уравнения (74.10), (74.11) и (74.12) Р и , получим выражение для

(в эту формулу Милликен вносил поправку, учитывающую, что размеры капелек были сравнимы с длиной свободного пробега молекул воздуха).

Рис. 74.3.

Итак, измерив скорость свободного падения капельки и скорость ее подъема известном электрическом поле , можно было найти заряд капельки е. Произведя измерение скорости при некотором значении заряда , Милликен вызывал ионизацию воздуха облучая пространство между пластинами рентгеновскими лучами. Отдельные ионы, прилипая к капельке, изменяли ее заряд, в результате чего скорость также менялась. После измерения нового значения скорости снова облучалось пространство между пластинами и т. д.

Измеренные Милликеном изменения заряда капельки и сам заряд каждый раз получались целыми кратными одной и той же величины . Тем самым была экспериментально доказана дискретность электрического заряда, т. е. тот факт, что всякий заряд слагается из элементарных зарядов одинаковой величины.

Значение элементарного заряда, установленное с учетом измерений Милликена и данных, полученных другими методами, равно

(74.13)

Такую же величину имеет заряд электрона.

Из (74.7) и (74.13) получается для массы покоя электрона значение

(74.14)

приблизительно в 1840 раз меньшее массы самого легкого из атомов — атома водорода.

В обнаружении дискретной природы электричества сыграли большую роль законы электролиза, установленные экспериментально Фарадеем в 1836 г. Согласно этим законам масса вещества, выделяющегося при прохождении тока через электролит, пропорциональна переносимому током заряду

(74.15)

Здесь М — масса моля выделяющегося вещества, — валентность этого вещества, F — постоянная Фарадея (число Фарадея) равная

(74.16)

Разделив обе части равенства (74.15) на массу иона, получим

– число Авогадро, — количество ионов, содержащихся в массе m). Отсюда для заряда одного иона получается значение

Следовательно, заряд иона оказывается целым кратным величины

(74.17)

«угорая представляет собой элементарный заряд.

Таким образом, из анализа законов электролиза вытекает дискретность зарядов, которыми могут обладать ионы в электролитах.

Подстановка в (74.17) значения (74.16) для F и найденного из зпытов Перрена (см. § тома) значения NA дает для вели хорошо согласующуюся со значением, найденным Миллионом.

Поскольку точность, с которой определяется постоянная Фарадея F, и точность значения , полученного Милликеном, намного превосходят точность опытов Перрена по определению соотношение (74.17) было использовано для определения числа Авогадро. При этом было взято значение F, найденное из опытов по электролизу, и значение , полученное Милликеном.