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光子和电子都有什么特性?两者到底有什么关系?

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宇宙时空 2021-04-17 19:12

在科普的道路上,你不可避免地会遇到光子和电子等微观粒子,而两者或许又是最常见的微观粒子。光子在我们身边无处不在,而电子是组成原子不可或缺的结构组成,万事万物都是由原子构成的,弄清楚光子和电子的本质成为必然。

光子和电子都是最基本的微观粒子,它们都是不可再分的,那么光子和电子到底是什么,两者之间又有什么关系?

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我们经常会听到这种说法:光子和电子可以相互转换。事实上这种说法并不严谨,很容易误导大众。

首先,光子和电子都非常小,其中电子是微观粒子中第二小的粒子,仅仅比中微子大。我们不能看到电子,当然也看不到单个的光子,只能看到光,说简单点,光子是能量的载体,或者说光其实就是能量。

下面来具体分析下光子和电子到底有什么特性,两者有什么关系。

光子到底是粒子还是波?在近现代物理学发展过程中一直争议很大,一开始科学家普遍认为光是一种波。但爱因斯坦发现的光电效应让我们明白光也是一种粒子,所以光具有波粒二象性。

从量子力学的角度来讲看,由于能量是不连续的,光子其实就是一份份的能量,光子就是“光量子”的简称。光子虽然具有粒子的特性,但严格来讲它并不是一个像电子那样具体的粒子,更像传播基本作用力的“胶子”,是电磁力的传播子。

目前科学家的普遍结论是,光子是没有质量的(静质量),或者说光子的静止质量为零,而且光子一生下来就以光速飞行,没有任何加速过程。虽然没有静质量,但光子具有“动质量”,因为爱因斯坦的相对论表明能量和质量其实是一回事。

这里需要说明一点,我们经常所说的光速其实并不是指光子的速度,相对论中的光速当然也不是光子的速度,光速c是一个常数,是时空的内在秉性,只与真空的磁导率和介电常数有关。具体来讲,光速是引力波的速度(时空波纹的速度),是四维时空的固有属性。

电子与光子有很大的不同,电子是客观存在的具体粒子,一种基本物质粒子。

我们都知道,原子由原子核和电子组成,电子在原子核周围高速运动(其实是电子云形式随机出现)。电子是不可再分的基本粒子,起码目前是这样。

很多人会把原子结构想象成太阳系那样的宏观结构,电子围绕着原子核运行,八大行星围绕着太阳运行,看起来十分相似。但其实并不是这样的,两者有本质的区别。

拿结构最简单的氢原子来说明一下。氢原子由一个质子和一个电子组成,电子在静电引力作用下围绕质子运行。但需要注意的是,电子的运动轨迹并不像地球围绕太阳运行那样的椭圆或者圆形,电子的运行轨迹是随机的,随机地出现在质子的周围,也就是所谓的“电子云”。

对于更复杂的原子来讲,电子出现的概率区域取决于电子所处的能级大小。按照泡利不相容原理的诠释,单个电子轨道最多只能容纳两个电子,同时这两个电子的自旋方向必须是相反的。

为何电子不像太阳系八大行星那样围绕太阳运行有规律地围绕原子核运行,而是非常随机地出现在原子核周围呢?

这是一个很好的问题。

原因其实并不复杂。电子一直在不断地吸收释放能量,从来没有停止过。电子质量非常小,大约9.109×10⁻³¹千克。尽管质量非常小,不过当电子在原子核外高速运动时,电场偏转会释放能量,这种能量就以光子的形式对外辐射。对外辐射能量,电子的能量就会较少,轨道会降低靠近基态。

相反,如果电子吸收能量(光子),电子的轨道就会跃迁到更能级,从基态到激发态。如果吸收的能量越多,跃迁的轨道就越靠外,到了一定程度电子就会完全脱离原子核束缚,成为自由电子。

以上就是电子和光子的联系和区别。

下面来说说光电效应。

任何物体吸收到光,就相当于获得了能量,其中一部分能量会被电子吸收。电子吸收能量之后会跃迁到更高的能量,但除非电子吸收足够多的能量摆脱原子核束缚,否则电子还是会释放出光子重新回到自己原有的轨道(基态),因为电子总是倾向于更稳定的状态,也就是基态。如果位于最外层的电子获得足够多的能量,电子就会摆脱原子核束缚,成为自由电子。

举个宏观的例子,处于山谷中的石头就相当于一种基态(稳定的状态),石头总是倾向于处在山谷中,如果有外部能量把石头搬到山坡或山顶(比如说你把石头搬到山坡或山顶),石头总是会滚落到山谷,回到自己原来的位置(基态)。

所以说,光电效应并不是说光子可以转换成电子,而是说当电子吸收一定能量的光子之后,自己变成了自由电子,也就能产生电流。

通俗地讲,光子其实是由物质(基本上都是光子)的运动产生的,电子在发生跃迁的过程中释放或者吸收能量(光子)。在释放或者吸收光子的过程中,物质的质量也会随之发生变化,这也是爱因斯坦质能方程的一种体现,质量和能量本来就是一回事,而能量是更本质的东西。

最后说一点,电子确实可以“变成”光子,有两种方式。第一,衰变,不过电子衰变的过程极其漫长,科学家们计算出电子的说明可以达到6.6×10²⁸年。第二,与正电子相撞发生湮灭,在恒星核心发生核聚变的过程中,经常出现这种情况!

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