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光子与电子到底是个什么关系?

时间:2022-11-25 21:23:30 | 浏览:1208

经常听到“光电相互转换”、“光子能产生电子”的说法,这些不准确的提法容易对公众造成误导,因此决定写一篇文章进行澄清,希望对大家认识光子与电子有所帮助。光子与电子都是极小的“东西”,我们能看见光,但看不见电子,这并不代表电子比光子更小,事实上

经常听到“光电相互转换”、“光子能产生电子”的说法,这些不准确的提法容易对公众造成误导,因此决定写一篇文章进行澄清,希望对大家认识光子与电子有所帮助。

光子与电子都是极小的“东西”,我们能看见光,但看不见电子,这并不代表电子比光子更小,事实上电子是这个世界上目前已知第二小的粒子,比电子更小的是中微子。那么光子呢?物理学中的光子它实际上只是能量的载体。

光子与电子的关系

是不是有点晕?本文就跟你讲明白,光子与电子究竟是什么。

电子的客观存在

电子是一种基本物质粒子,它在原子核的外围高速运行。到目前为止,科学家们都无法将电子打散,它被认为是不能分割的粒子。我们通常会将原子核想象成太阳,将围绕着原子核运动的电子想象成围绕太阳旋转的行星,比如水星、地球或木星,但事实上并不如此。

太阳系的行星围绕太阳作椭圆运动,电子可没这么老实

氢原子是世界上最小也是最简单的原子,它的原子核就是一个质子,质子带一个正电荷,围绕着这个质子运行的只有一个带负电荷的电子,电子由于静电引力的作用围绕着质子运动。即便如此,电子的运动轨迹也不是一个圆或椭圆。由于电子绕核运动的速度接近光速,当我们观察这个电子时,它的运动轨迹更像是地球周围的“大气层”,电子会随机出现在原子核周围“大气层”的任何一个点上,这些点形成一个“壳层”,我们称之为电子云。

氢原子的电子云

对于拥有更多电子的复杂原子来说,它的每一个电子都会出现在自己的概率区,这是由每个电子各自的能级所决定的,物理上将这些概率区称为电子轨道。按照泡利不相容原理,每个电子轨道最多只能被两个电子占据,并且这两个电子的自旋方向必须相反。

为什么电子并不会像行星那样老老实实地呆在自己的椭圆轨道里,而是围绕着原子核“乱窜”?这是因为电子在运动过程中不断地向外辐射能量,同时它也会从外部吸收能量。我们知道电子是有质量的粒子,尽管电子是轻子,它的质量极小,只有约0.511MeV/C²(约9.109×10⁻³¹千克),但当它以极高的速度围绕原子核运动时,由于电场偏转也会对外释放出能量,这个能量以光子的形式向外发射。当电子的能量减少,它的轨道就会降低,角动量也将发生细微变化。反过来,当电子与外来光子发生碰撞时,光子会将自己的能量传递给电子,这将推高电子的轨道,因此电子会在自己基态轨道上不停地变化运行轨迹。如果电子获得的能量足够大,它会发生能级跃迁、跳到更高轨道,甚至脱离原子核的束缚变成一颗自由电子。

当我们给氢以不同能量,它的电子轨迹就会产生相应变化

光子的波粒二象性

对于量子物理学来说,光子实际上是一份一份的能量,它被称为“光的能量子”。虽然光子兼具粒子的特性,但它不是一个具体的粒子,这有点像“声子”和“胶子”。目前普遍接受的物理理论暗示或假设光子是严格无质量的,这意味着不存在光子这个“东西”,所以光子的停止质量被定义为0。光子一产生就以光速在运动,它是能量,按照爱因斯坦相对论中质量与能量的关系,我们认为光子拥有“动质量”。

光子没有静止质量,电子有质量

如果光子不是严格无静止质量的粒子,按照相对论,任何有质量的物体不会以真正的光速c运动。光子的速度将取决于它的频率,肯定比光速更低。但相对论不会受到光子质量的影响,因为在相对论中所谓的光速c不是是光子移动的实际速度,而是一个自然常数,它是任何物体在理论上可以在时空中达到的速度上限。因此在相对论中,光速仍然是时空波纹(引力波和引力子)的速度,但它不是光子的速度。

光子是否拥有静止质量对于麦克斯韦方程和库仑定律的影响更大,库仑定律将被迫做出修改,许多我们熟知的物理学定律也将随之进行修正。但到目前为止,光子静止质量的问题还在科学家们不断地求证之中。

光子的波属性

虽然像所有的基本粒子一样,光子表现出波粒二重性,兼具波和粒子的双重特性。但光子的波和量子质量是单个现象的两个可观察的方面,我们不能机械地描述它。也就是说我们不能说光的能量处于光波前的某些点,也不能在空间定位光量子。

鉴于光子的这些特性,我们明白了,不能将光子与电子相等同,光子不是电子,光子也不会凭空产生出电子。

那么光电效应是怎么回事?

难道太阳能电池里的电子不是由光子产生的吗?

光电效应不是凭空创造出电子

当光照射到任何材料表面时,它会将能量传递给目标,其中一部分能量会传递给电子。电子接收到光的能量会引发自己的动能变化,从而冲到更高的能级,如果电子吸收到的电子能量不足以使自己摆脱原子,它会释放一个光子,然后回到自己原来的轨道上;而当最外层电子获得足够的能量,它会摆脱原子的束缚,变成自由电子。

由此我们可以看出,光电效应并不是光子产生了电子,而是电子接收到光的能量,从而使自己变成自由电子,当材料中的电势积聚,就可以产生电流。

总结:

光由物质的运动产生,电子在其运动过程中由于轨道发生偏转而对外释放能量,原子核内部基本粒子在运动过程中也会对外释放能量,这种能量的释放大多表现为光的发射。

电子激发可以产生不同波长的光

光子由物质不断产生,物质因为向外释放能量而使其自身的质量产生变化。与此同时,物质也在不断地吸收其同围的光子,以平衡其质量亏损。

根据经典物理学的定义,光子没有静止质量,但光子在以光速运行的过程中拥有动质量,这个动质量是其本身能量的体现。

电子不会凭空产生也不会凭空消失,电子可能会衰变成伽马射线光子和能量,但这个过程极其漫长,根据计算电子的平均寿命将高于6.6×10²⁸年,它也许会比宇宙的寿命更长久。当一个电子与一个正电子相遇,它们会发生湮灭,产生两个或两个以上伽马射线光子和强大能量,这种情况在恒星内部经常发生,它是恒星中核聚变的中间过程。

综上所述,电子与光子是两种完全不同的东西,电子是物质的基本粒子,而光子更多地表现为能量的片段;电子在运动和湮灭过程中可以释放光子,但光子并不能凭空产生电子,它只能给电子以能量,使其动能发生改变,甚至脱离原子变成自由电子。

关于光子与电子,你明白了吗?

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