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電子已經(jīng)不是什么新奇事物了,但我們?yōu)楹芜€對其困惑不已?

 茂林之家 2016-07-19

1895年,倫琴(Wilhelm Konrad Rontgen)發(fā)現(xiàn)了X射線。

1896年,貝克勒爾(Antoine Herni Becquerel)發(fā)現(xiàn)了鈾元素的放射現(xiàn)象。

1897年,居里夫人(Marie Curie)和她的丈夫皮埃爾·居里研究了放射性,并發(fā)現(xiàn)了更多的放射性元素:釷、釙、鐳。

1897年,J.J.湯姆遜(Joseph John Thomson)在研究了陰極射線后認為它是一種帶負電的粒子流。電子被發(fā)現(xiàn)了。

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電子,亞原子粒子中的輕子類。輕子被認為是構成物質(zhì)的基本粒子之一,即其無法被分解為更小的粒子。它帶有1/2自旋,即又是一種費米子(按照費米—狄拉克統(tǒng)計)。電子所帶電荷為e=1.6×10?1?C(庫侖),質(zhì)量為9.11×10?31kg(0.51MeV/c2),能量為5.11×10?eV,通常被表示為e?。電子的反粒子是正電子,它帶有與電子相同的質(zhì)量,能量,自旋和等量的正電荷(正電子的電荷為+1,負電子的電荷為-1)。

電子的被發(fā)現(xiàn)可以說是19世紀末科學界的幾件重大事件之一。之前人們一直推測微觀物質(zhì)粒子組成中應該包括電子,但是沒有人真正證實過其存在,直到1897年湯姆森在陰極管附近將其捕捉,電子才被大眾所公認。我們想到“電子”,自然很容易想到是某種粒子,是和“沙子”類似的微觀小粒子。這種觀念曾經(jīng)在很多年一直被普遍接受,即使到現(xiàn)在我們往往也傾向?qū)㈦娮涌醋饕环N粒子。

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但是,隨著干涉、衍射現(xiàn)象的出現(xiàn),人們不得不對電子等微觀粒子的行為產(chǎn)生困惑。電子從電子槍發(fā)出時可以看作粒子,打到顯示屏上也是粒子,但是從顯示屏上的分布來看,電子似乎是以一種波的形式走完整個過程的,這種波可以以水波的模型得到很好吻合。

現(xiàn)代我們都知道,微觀粒子在運動上符合量子力學特性(波粒二象性),而電子作為目前公認的幾百種擊敗粒子中的一種,自然也在很多方面符合量子論特性。但是,這是一種事后諸葛亮的眼光。當時的人們對以電子為代表的量子微粒的行為充滿了困惑,即使湯姆森早在19世紀末就已經(jīng)證實電子的存在,但是這種證實只是一種間接證實,并沒有實實在在的觀察到某種叫做“電子”的微粒。

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于是,20世紀最初的30年,一位叫做海森堡的德國科學家在自己的實驗室里嘗試真真切切去感知這種微小粒子。但是,他研究的越深,他就越感到有一股涼氣從后腦勺傳來。在他的實驗室里,電子哪是一種可以觀察的微粒,這個東西簡直就是鬼魅,來無影去無蹤。于是,他對此現(xiàn)象進行思考,整理和總結。就這樣,一個量子力學最著名的量子特性得以顯示:測不準原理。

我們知道我們要觀察某樣物體,必須將光照射到其上,然后通過光在物體的反射進而感知到它。但是,電子不是普通物質(zhì),它極其微小,尺度微小,質(zhì)量微小。在正常情況下,光照射到宏觀物體并不會對宏觀物體的運動特性產(chǎn)生多大影響,但是電子太過細小,即使是幾個光子的侵擾,電子的運動都會出現(xiàn)偏移。于是,我們就發(fā)現(xiàn),如果我們對電子的速度進行更準確地測定,那么電子的具體位置的就越不精確;同理,如果對電子的位置測量的越精確,那么電子的速度就測量的越不精確。在這樣一種情況下,我們無法在某個固定地點和時間準確觀察到電子。

電子已經(jīng)不是什么新奇事物了,但我們?yōu)楹芜€對其困惑不已?就這樣,電子具體為何物,電子的具體形態(tài)至今我們無法知曉。隨著人們提出電子等基本粒子的內(nèi)部由夸克組成,但是這種夸克學說至今也沒有得到公認?;诳淇说膬?nèi)部組成,超弦理論等科學家認為是由一種振動的能量線構成,也就是“弦”。我們知道,如果量子力學要發(fā)展下去,它就必須得解決好粒子和波的矛盾,但是這二者在本質(zhì)上幾乎無法調(diào)和,不同頻率振動的“弦”進而產(chǎn)生基本粒子(電子等)的說法,確實在很多層面上將波粒二象性得到很好的整合?,F(xiàn)在很多人也逐漸開始接受這樣一種觀點:宇宙的宏觀和微觀只不過是同一事物的不同方面的表現(xiàn),就像粒子特性和波動特性也只不過是同一事物在不同方面的表現(xiàn),說到底它們都是物體本身。如果按照這種思維,在電子尚未被直接觀察的情況下,我們是否有理由去相信,電子本身就極有可能是一種振動形式的能量呢?

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