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吴浚恺:电子是由什么构成的?什么形状?有多

时间:2020-11-12 11:25人气:来源: 未知

吴浚恺:电子是由什么构成的?什么形状?有多

  电子作为标准模型的基本粒子,以现在的研究水平并没有发现电子的下层结构,也就是说电子不可再分。但考虑电子与光子的关系,猜测电子与光子有相同的本质。但电子并不是没有大小没有形状的点。

  与之前的预言相反,根据最新的实验测量,发现电子的形状似乎是近乎完美的球形。

  电子的形状曾被认为是包围着一个无尺寸的点的虚拟粒子的云。科学家们预测,由于此云的正负两极拉动,云将略微呈非球面形状。

  但是2011年,伦敦帝国理工学院的物理学家乔尼·哈德森和他的同事们对电子的形状进进行了前所未有的细节分析,他们发现电子是可以测量的完美球体,而且测量精度达百万分之的百万分之的十亿分之一厘米(6 6 9=21个零),也就是说如果我们将电子扩大到太阳系的大小,那么这帮科学家测量出的电子的形状的偏差小于人发的直径!

  上图:测量电子精细形状的设备。

  这个得分具体情况了——

  绕原子核的电子并非是我们被某些文章科普的那样认为的是以圆周运动,而实际上是符合量子不确定性的和特定的统计学规律的。也就是说电子并非在原子核周围的空间中连续地“飞行”,而是像量子一样以离散的方式出现在其轨道上的某个随机位置,从一个地方消失然后从轨道上另一个随机的地方出现,并且出现在某个位置的几率符合波函数的几率。

  此外,核外电子的轨道也并不是一个环,而是更像是“层”,单个原子不同的轨道层(专业名词称为“壳层”)的形状差别非常大。壳层不都是球形的,而且壳层还可能包含多个子壳层,子壳层又包含多个轨道。根据壳层能级不同以及与核电荷以及不同壳层之间的电交互作用,壳层形状可以通过波函数以概率的方式给出。壳层之间是相互交叠的。

  上图:氢电子壳层的形状,因为氢只有一个电子,但这并不意味着氢只有一个能级。当有外部能量注入,氢原子唯一的那个电子可以跃迁到不同的壳层,而不同的壳层形状不同。壳层上那个唯一的电子出现的几率由右上角的波函数给出。

  所以核外电子实际上就是在不同的壳层上以量子规律和电磁力的规律随机地以特定的几率出现和消失——当然,这可以被称为一种运动。

  当多个原子结合形成分子的时候,不同原子的最外层壳层会相互融和,这种连接被称为“价键”。这个时候原子外的电子,尤其是最外层的电子的运动就会受到多个原子之间电荷作用,形成一种新的概率分布。但这种分布要用波函数表达就显得非常复杂了。上图:不同的化合物以不同的价键连接,形成不同的电子云形态。

  非极性共价键极性共价键离子键

  金属导体中的电子,主要是最外层的自由电子,可以在金属的晶格中自由运动。当金属晶体两端存在电压差的时候,这些自由电子就会超一致的方向运动,形成电流。上图:金属中的自由电子在不通电和通电的情况下的运动差异。

  当真空中存在高电压差,电子可以被射出到真空之中,形成电子束。电子在真空中的运动是符合波函数所给出的概率的,电子可以像波一样形成干涉条纹。

  上图:电子干涉形成的干涉条纹,说明了电子也是一种波。单个电子也能干涉更说明了电子的位置是符合量子力学的波函数而非经典的动力学。

  在导体中,电信号或能量能够以电磁波的形式传播,其速度通常约为光速的50%–99%,而电子本身的移动速度要慢得多,实际上导体中电子的运动速度大约为每秒几毫米。电子上承载的信息和能量的传播与电子本身的传播不是一回事情。这个跟声音的传播跟空气的运动不是一回事一样。

  电子的运动速度总是接近光速的说法是不准确的。

  电子的速度范围很广。例如:

  对于半径为1mm的铜线,其稳定电流为10A,电子的移动速度仅为约0.024cm/s。

  氢原子核周围的电子的运动速度大约为200万米/秒。

  某些放射性物质发射的β粒子,原子序数较大的元素(如铀)的最内层电子,其运动接近光速。

  电子并不像你想的那样简单。


吴浚恺:电子是由什么构成的?什么形状?有多


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