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您真的了解电子吗?改变人类生活方式的正是——电子的舞步

2022-11-25 21:21:50 943

摘要:如果说第一次工业革命的动力是煤和石油这样的化工燃料,那么第二次工业革命就是电力的应用了。如今,我们的社会进入到了移动互联网时代,生活更是离不开手机。而这一切的背后都来自电子的舞步。本文老郭就来带着大家一探电子的奥秘。一、发现电子虽然我们无法...

如果说第一次工业革命的动力是煤和石油这样的化工燃料,那么第二次工业革命就是电力的应用了。如今,我们的社会进入到了移动互联网时代,生活更是离不开手机。而这一切的背后都来自电子的舞步。本文老郭就来带着大家一探电子的奥秘。

一、发现电子

虽然我们无法直接看到电子,但是我们能看到电子的行为是如何对我们的生产生活造成的影响。当然了,首先你得相信电子真的存在。今天的人们当然会觉得电子的存在是天经地义的,它是组成宏观世界的原子的基本组成粒子之一,这个概念很简单,而且听起来很有道理的样子,我们或者是从小就听人这么说过,或者是在中学就学习过。

但是如果我们穿越回到过去,你会发现,直到1897年,约瑟夫·约翰·汤姆逊根据放电管中的阴极射线在电磁场和磁场作用下的轨迹确定阴极射线中的粒子带负电,并测出其荷质比,才是人类历史上第一次真正地发现电子。

二、对电子的响应

电子的发现打破了科学界长久以来认为原子不可再分的思想,汤姆逊也因此建立了科学历史上第一个原子模型——枣糕模型。当然了这个原子结构模型是错误的。

12年后,即1909年,美国物理学家罗伯特·安德鲁·密立根用油滴实验测出了电子的电荷。同年,在物理学家欧内斯特·卢瑟福用氦离子轰击金箔。发现有很小一部分离子的偏转角度远远大于使用汤姆生假设所预测值。

卢瑟福根据金铂实验的结果指出:原子中大部分质量和正电荷都集中在位于原子中心的原子核当中,电子则像行星围绕太阳一样围绕着原子核。带正电的氦离子在穿越原子核附近时,就会被大角度的反射。这就是原子核的核式结构。

三、电子的粒子性

电子像“小球”一样能够轻易地发生移动。冬天的时候,我穿上厚厚的衣服,踏着雪地走到我的车旁,每一次我都是战战兢兢地用手打开车门,几乎每次我的手都会随着啪的一声,传来一阵刺痛。这是因为车上的电子被我身上带着的正电荷吸引过来,撞击到我的手指上。

这些电子迅速沿着我的身体快速运动,附着到我皮肤上的神经末梢纤维膜上的带正电的钠离子受到这些负电荷的影响,产生了运动。神经末梢纤维末梢的钠离子的运动又影响了它附近的钠离子的运动,钠离子的波动,传递到我的大脑,我就感受到了这次外来电子的移动——释放静电。

学过经典力学的朋友都知道,运动的物体具有动能,电子的运动同样有动能。我们家里的电炉子就是这个原理。当我们接通电源并按下开关的一瞬间,就在电炉子的电阻丝两端产生一个电压。电阻丝中的电子,就像流荡的河水突然遇到了断崖形成的瀑布,疯狂地开始跳跃。

跳跃的电子携带着动能,撞击着沿途路过的原子,把自身的动能传递给原子,原子的振动速度迅速提高。我们就能看到电炉子的温度开始增加。数以亿万的电子的跳跃,就把电场的能量通过撞击变成了热能。

如此看上去,电子虽然小,但是与我们的宏观物体有类似的行为,或者直接说就是具有粒子性。这也是很多早期物理学家的观点。

四、电子的波动性

我们可能以为,电子的波动性不像粒子性那样常见,我们平时都看不到电子的波动性行为。其实这是错误的。如果你认真地观察过我们所有的光源,就会发现,不同种类的光源,其发出来的光的颜色都不一样。

从火把、煤油灯、白炽灯、日光灯,LED灯,太阳甚至遥远的恒星,每一种光源都有其特定的颜色,用科学术语说就是光谱。而不同的光谱,正是由于电子的特殊行为导致的。对于发光行为的研究也揭开了电子的这种行为——波动性。

前面我们提到了1909年卢瑟福用阿发粒子轰击金箔发现了原子核结构。1911年,他在此基础上提出了自己的原子模型,即行星模型。行星模型认为,原子是由质量很大(几乎是全部质量)的原子核和围绕原子核运动的电子构成。

然而,这个模型遇到了困难,因为在电场内做高速运动的电子要向外发出辐射,也就是电磁波。早在1895年无线电报就已经被发明出来,就是利用电场加速电子运动释放电磁波的原理来实现发报的。行星模型,与已知的电子在电场中的行为相矛盾。

19世纪末,瑞士数学教师巴耳末将氢原子的谱线表示成巴耳末公式,瑞典物理学家里德伯总结出更为普遍的光谱线公式里德伯公式。20世纪初期,德国物理学家普朗克为解释黑体辐射现象,提出了量子理论,揭开了量子物理学的序幕。

1913年2月4日前后的某一天,玻尔的同事汉森拜访他,提到了1885年瑞士数学教师巴耳末的工作以及巴耳末公式,玻尔顿时受到启发。1913年7月、9月、11月,经由卢瑟福推荐,《哲学杂志》接连刊载了玻尔的三篇论文,标志着玻尔模型正式提出。

玻尔模型指出:电子在一些特定的可能轨道上绕核作圆周运动,离核愈远能量愈高;可能的轨道由电子的角动量必须是 h/2π的整数倍决定;当电子在这些可能的轨道上运动时原子不发射也不吸收能量,只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时原子才发射或吸收能量,而且发射或吸收的辐射是单频的,辐射的频率和能量之间关系由 E=hν给出。

玻尔的理论成功地说明了原子的稳定性和氢原子光谱线规律,但在解释比氢原子更复杂的原子谱线规律上遇到了困难。

1924年,法国物理学家德布罗意在光具有波粒二象性的启发下,提出一个假说,指出波粒二象性不只是光子才有,一切微观粒子,包括电子和质子、中子,都有波粒二象性。

他把光子的动量与波长的关系式p=h/λ推广到一切微观粒子上,指出:具有质量m 和速度v 的运动粒子也具有波动性,这种波的波长等于普朗克恒量h跟粒子动量mv 的比,即λ= h/(mv)。这个关系式后来就叫做德布罗意公式

1927年,克林顿·戴维森雷斯特·革末在贝尔实验室将电子射向镍结晶 ,发现其衍射图谱和布拉格定律(这原是用于X射线的)预测的一样。这个实验就证明了电子有波的性质,肯定了波粒二象性的学说。

五、电子自旋

随着科学家们对电子、质子、原子等微观粒子行为的了解,一门科学迅速成长起来,这就是波动力学,也叫做量子力学。由于发现了粒子的波动性,所以现在粒子的行为可以用波动方程来解决,这就是薛定谔方程

在解薛定谔方程的过程中,由于核外电子运动状态的变化是量子化的,所以引出了主量子数n、角量子数l、磁量子数m,而科学家们很快发现,三个量子数并不能完全描述原子内电子的行为。按照当时量子力学对原子能级的诠释,角动量J在磁场方向上一共有2j+1种情况,也就是原子光谱会分裂成奇数种可能。

有两个实验与此相悖:

1、斯特恩-盖拉赫实验:1920年,奥托·斯特恩和瓦尔特·格拉赫发现,银原子蒸汽通过两条细缝后,经过一个真空的不均匀磁场,最后在底片上形成两条黑斑。

2、反常塞曼效应:在弱磁场中的原子,原子精细结构因弱磁场的存在而发生分裂的现象,叫做塞曼效应。最初发现的都是分裂为3条,称作正常塞曼效应,然而在某些情况下,能级还能分裂成偶数条,比如碱金属原子就分裂成两条,这在当时的理论图景下,得不到合理解释,称作反常塞曼效应。

1925年G.E.乌伦贝克和S.A.古兹密特受到泡利不相容原理的启发,分析原子光谱的一些实验结果,提出电子具有内禀运动——自旋,并且有与电子自旋相联系的自旋磁矩,由此引出了电子的自旋量子数s。可以解释原子光谱的精细结构及反常塞曼效应 。

电子自旋造成的原子能级细分,我们更多地称之为原子精细结构,每一个原子的精细结构都不一样,我们利用原子这一特性,可以测量遥远天体的元素成分;而电子自旋共振效应,也在很多领域得到应用,尤其是分子生物学当中。

1928年,P.A.M.狄拉克提出电子的相对论波动方程,方程中自然地包括了电子自旋和自旋磁矩。电子自旋是量子效应,不能作经典的理解,如果把电子自旋看成绕轴的旋转,则得出与相对论矛盾的结果。而爱因斯坦的观点是,自旋-轨道耦合是狭义相对论的一个直接推论。

后来,科学家们还相继发现其他基本粒子,也存在同样的自旋现象。

到这里,我们需要知道的是:电子的自旋并非经典的旋转概念,而是电子的内秉属性,和质量、电荷的概念是一样的。之所以叫做自旋,是因为这个概念和经典的旋转,有一些相似之处,但两者有着本质的区别。

结束语

一个小小的电子,带给我们精彩的生活世界,这源自科学家们对于电子行为的深入了解。我们今天所有的高科技设备,都与这些微小的基本粒子的运动方式有关。正是电子那些精彩的舞蹈,给我们带来了光、带来了热,带来了信息时代,更带来了我们对这个世界的深刻理解。

对于电子,它不是粒子、也不是波、也不是云、也不是雾,我们不妨放下想把电子的行为与宏观物质行为进行对比的想法,电子就是电子,它具有波粒二象性,或者更简单点,什么定义都不要做,它就是这个样子的,它是什么样就是什么样。

亲爱的朋友们,本文关于电子的话题就写到这里了。我是郭哥聊科学,普及科学知识,传播科学精神,持续为大家提供高质量的科普文章。

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