如果說(shuō)第一次工業(yè)革命的動(dòng)力是煤和石油這樣的化工燃料，那么第二次工業(yè)革命就是電力的應(yīng)用了。如今，我們的社會(huì)進(jìn)入到了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，生活更是離不開(kāi)手機(jī)。而這一切的背后都來(lái)自電子的舞步。本文老郭就來(lái)帶著大家一探電子的奧秘。
一、發(fā)現(xiàn)電子
雖然我們無(wú)法直接看到電子，但是我們能看到電子的行為是如何對(duì)我們的生產(chǎn)生活造成的影響。當(dāng)然了，首先你得相信電子真的存在。今天的人們當(dāng)然會(huì)覺(jué)得電子的存在是天經(jīng)地義的，她是組成宏觀世界的原子的基本組成粒子之一，這個(gè)概念很簡(jiǎn)單，而且聽(tīng)起來(lái)很有道理的樣子，我們或者是從小就聽(tīng)人這么說(shuō)過(guò)，或者是在中學(xué)就學(xué)習(xí)過(guò)。
但是如果我們穿越回到過(guò)去，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，直到1897年，約瑟夫·約翰·湯姆遜根據(jù)放電管中的陰極射線在電磁場(chǎng)和磁場(chǎng)作用下的軌跡確定陰極射線中的粒子帶負(fù)電，并測(cè)出其荷質(zhì)比，才是人類歷史上第一次真正地發(fā)現(xiàn)電子。
二、對(duì)電子的響應(yīng)
電子的發(fā)現(xiàn)打破了科學(xué)界長(zhǎng)久以來(lái)認(rèn)為原子不可再分的思想，湯姆遜也因此建立了科學(xué)歷史上第一個(gè)原子模型——棗糕模型。當(dāng)然了這個(gè)原子結(jié)構(gòu)模型是錯(cuò)誤的。
12年后，即1909年，外國(guó)物理學(xué)家羅伯特·安德魯·密立根用油滴實(shí)驗(yàn)測(cè)出了電子的電荷。同年，在物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福用氦離子轟擊金箔。發(fā)現(xiàn)有很小一部分離子的偏轉(zhuǎn)角度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于使用湯姆生假設(shè)所預(yù)測(cè)值。
盧瑟福根據(jù)金鉑實(shí)驗(yàn)的結(jié)果指出：原子中大部分質(zhì)量和正電荷都集中在位于原子中心的原子核當(dāng)中，電子則像行星圍繞太陽(yáng)一樣圍繞著原子核。帶正電的氦離子在穿越原子核附近時(shí)，就會(huì)被大角度的反射。這就是原子核的核式結(jié)構(gòu)。
三、電子的粒子性
電子像“小球”一樣能夠輕易地發(fā)生移動(dòng)。冬天的時(shí)候，我穿上厚厚的衣服，踏著雪地走到我的車旁，每一次我都是戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢地用手打開(kāi)車門(mén)，幾乎每次我的手都會(huì)隨著啪的一聲，傳來(lái)一陣刺痛。這是因?yàn)檐嚿系碾娮颖晃疑砩蠋е恼姾晌^(guò)來(lái)，撞擊到我的手指上。
這些電子迅速沿著我的身體快速運(yùn)動(dòng)，附著到我皮膚上的神經(jīng)末梢纖維膜上的帶正電的鈉離子受到這些負(fù)電荷的影響，產(chǎn)生了運(yùn)動(dòng)。神經(jīng)末梢纖維末梢的鈉離子的運(yùn)動(dòng)又影響了她附近的鈉離子的運(yùn)動(dòng)，鈉離子的波動(dòng)，傳遞到我的大腦，我就感受到了這次外來(lái)電子的移動(dòng)——釋放靜電。
學(xué)過(guò)經(jīng)典力學(xué)的朋友都知道，運(yùn)動(dòng)的物體具有動(dòng)能，電子的運(yùn)動(dòng)同樣有動(dòng)能。我們家里的電爐子就是這個(gè)原理。當(dāng)我們接通電源并按下開(kāi)關(guān)的一瞬間，就在電爐子的電阻絲兩端產(chǎn)生一個(gè)電壓。電阻絲中的電子，就像流蕩的河水突然遇到了斷崖形成的瀑布，瘋狂地開(kāi)始跳躍。
跳躍的電子攜帶著動(dòng)能，撞擊著沿途路過(guò)的原子，把自身的動(dòng)能傳遞給原子，原子的振動(dòng)速度迅速提高。我們就能看到電爐子的溫度開(kāi)始增加。數(shù)以億萬(wàn)的電子的跳躍，就把電場(chǎng)的能量通過(guò)撞擊變成了熱能。
如此看上去，電子雖然小，但是與我們的宏觀物體有類似的行為，或者直接說(shuō)就是具有粒子性。這也是很多早期物理學(xué)家的觀點(diǎn)。
四、電子的波動(dòng)性
我們可能以為，電子的波動(dòng)性不像粒子性那樣常見(jiàn)，我們平時(shí)都看不到電子的波動(dòng)性行為。其實(shí)這是錯(cuò)誤的。如果你認(rèn)真地觀察過(guò)我們所有的光源，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，不同種類的光源，其發(fā)出來(lái)的光的顏色都不一樣。
從火把、煤油燈、白熾燈、日光燈，LED燈，太陽(yáng)甚至遙遠(yuǎn)的恒星，每一種光源都有其特定的顏色，用科學(xué)術(shù)語(yǔ)說(shuō)就是光譜。而不同的光譜，正是由于電子的特殊行為導(dǎo)致的。對(duì)于發(fā)光行為的研究也揭開(kāi)了電子的這種行為——波動(dòng)性。
前面我們提到了1909年盧瑟福用阿發(fā)粒子轟擊金箔發(fā)現(xiàn)了原子核結(jié)構(gòu)。1911年，他在此基礎(chǔ)上提出了自己的原子模型，即行星模型。行星模型認(rèn)為，原子是由質(zhì)量很大（幾乎是全部質(zhì)量）的原子核和圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的電子構(gòu)成。
然而，這個(gè)模型遇到了困難，因?yàn)樵陔妶?chǎng)內(nèi)做高速運(yùn)動(dòng)的電子要向外發(fā)出輻射，也就是電磁波。早在1895年無(wú)線電報(bào)就已經(jīng)被發(fā)明出來(lái)，就是利用電場(chǎng)加速電子運(yùn)動(dòng)釋放電磁波的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)報(bào)的。行星模型，與已知的電子在電場(chǎng)中的行為相矛盾。
19世紀(jì)末，瑞士數(shù)學(xué)教師巴耳末將氫原子的譜線表示成巴耳末公式，瑞典物理學(xué)家里德伯總結(jié)出更為普遍的光譜線公式里德伯公式。20世紀(jì)初期，德國(guó)物理學(xué)家普朗克為解釋黑體輻射現(xiàn)象，提出了量子理論，揭開(kāi)了量子物理學(xué)的序幕。
1913年2月4日前后的某一天，玻爾的同事漢森拜訪他，提到了1885年瑞士數(shù)學(xué)教師巴耳末的工作以及巴耳末公式，玻爾頓時(shí)受到啟發(fā)。1913年7月、9月、11月，經(jīng)由盧瑟福推薦，《哲學(xué)雜志》接連刊載了玻爾的三篇論文，標(biāo)志著玻爾模型正式提出。
玻爾模型指出：電子在一些特定的可能軌道上繞核作圓周運(yùn)動(dòng)，離核愈遠(yuǎn)能量愈高；可能的軌道由電子的角動(dòng)量必須是 h/2π的整數(shù)倍決定；當(dāng)電子在這些可能的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)原子不發(fā)射也不吸收能量，只有當(dāng)電子從一個(gè)軌道躍遷到另一個(gè)軌道時(shí)原子才發(fā)射或吸收能量，而且發(fā)射或吸收的輻射是單頻的，輻射的頻率和能量之間關(guān)系由 E=hν給出。
玻爾的理論成功地說(shuō)明了原子的穩(wěn)定性和氫原子光譜線規(guī)律，但在解釋比氫原子更復(fù)雜的原子譜線規(guī)律上遇到了困難。
1924年，法國(guó)物理學(xué)家德布羅意在光具有波粒二象性的啟發(fā)下，提出一個(gè)假說(shuō)，指出波粒二象性不只是光子才有，一切微觀粒子，包括電子和質(zhì)子、中子，都有波粒二象性。
他把光子的動(dòng)量與波長(zhǎng)的關(guān)系式p=h/λ推廣到一切微觀粒子上，指出：具有質(zhì)量m 和速度v 的運(yùn)動(dòng)粒子也具有波動(dòng)性，這種波的波長(zhǎng)等于普朗克恒量h跟粒子動(dòng)量mv 的比，即λ= h/（mv）。這個(gè)關(guān)系式后來(lái)就叫做德布羅意公式。
1927年，克林頓·戴維森與雷斯特·革末在貝爾實(shí)驗(yàn)室將電子射向鎳結(jié)晶 ，發(fā)現(xiàn)其衍射圖譜和布拉格定律（這原是用于X射線的）預(yù)測(cè)的一樣。這個(gè)實(shí)驗(yàn)就證明了電子有波的性質(zhì)，肯定了波粒二象性的學(xué)說(shuō)。
五、電子自旋
隨著科學(xué)家們對(duì)電子、質(zhì)子、原子等微觀粒子行為的了解，一門(mén)科學(xué)迅速成長(zhǎng)起來(lái)，這就是波動(dòng)力學(xué)，也叫做量子力學(xué)。由于發(fā)現(xiàn)了粒子的波動(dòng)性，所以現(xiàn)在粒子的行為可以用波動(dòng)方程來(lái)解決，這就是薛定諤方程。
在解薛定諤方程的過(guò)程中，由于核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化是量子化的，所以引出了主量子數(shù)n、角量子數(shù)l、磁量子數(shù)m，而科學(xué)家們很快發(fā)現(xiàn)，三個(gè)量子數(shù)并不能完全描述原子內(nèi)電子的行為。按照當(dāng)時(shí)量子力學(xué)對(duì)原子能級(jí)的詮釋，角動(dòng)量J在磁場(chǎng)方向上一共有2j+1種情況，也就是原子光譜會(huì)分裂成奇數(shù)種可能。
有兩個(gè)實(shí)驗(yàn)與此相悖：
1、斯特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)：1920年，奧托·斯特恩和瓦爾特·格拉赫發(fā)現(xiàn)，銀原子蒸汽通過(guò)兩條細(xì)縫后，經(jīng)過(guò)一個(gè)真空的不均勻磁場(chǎng)，最后在底片上形成兩條黑斑。
2、反常塞曼效應(yīng)：在弱磁場(chǎng)中的原子，原子精細(xì)結(jié)構(gòu)因弱磁場(chǎng)的存在而發(fā)生分裂的現(xiàn)象，叫做塞曼效應(yīng)。最初發(fā)現(xiàn)的都是分裂為3條，稱作正常塞曼效應(yīng)，然而在某些情況下，能級(jí)還能分裂成偶數(shù)條，比如堿金屬原子就分裂成兩條，這在當(dāng)時(shí)的理論圖景下，得不到合理解釋，稱作反常塞曼效應(yīng)。
1925年G.E.烏倫貝克和S.A.古茲密特受到泡利不相容原理的啟發(fā)，分析原子光譜的一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出電子具有內(nèi)稟運(yùn)動(dòng)——自旋，并且有與電子自旋相聯(lián)系的自旋磁矩，由此引出了電子的自旋量子數(shù)s。可以解釋原子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)及反常塞曼效應(yīng) 。
電子自旋造成的原子能級(jí)細(xì)分，我們更多地稱之為原子精細(xì)結(jié)構(gòu)，每一個(gè)原子的精細(xì)結(jié)構(gòu)都不一樣，我們利用原子這一特性，可以測(cè)量遙遠(yuǎn)天體的元素成分；而電子自旋共振效應(yīng)，也在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用，尤其是分子生物學(xué)當(dāng)中。
1928年，P.A.M.狄拉克提出電子的相對(duì)論波動(dòng)方程，方程中自然地包括了電子自旋和自旋磁矩。電子自旋是量子效應(yīng)，不能作經(jīng)典的理解，如果把電子自旋看成繞軸的旋轉(zhuǎn)，則得出與相對(duì)論矛盾的結(jié)果。而愛(ài)因斯坦的觀點(diǎn)是，自旋-軌道耦合是狹義相對(duì)論的一個(gè)直接推論。
后來(lái)，科學(xué)家們還相繼發(fā)現(xiàn)其他基本粒子，也存在同樣的自旋現(xiàn)象。
到這里，我們需要知道的是：電子的自旋并非經(jīng)典的旋轉(zhuǎn)概念，而是電子的內(nèi)秉屬性，和質(zhì)量、電荷的概念是一樣的。之所以叫做自旋，是因?yàn)檫@個(gè)概念和經(jīng)典的旋轉(zhuǎn)，有一些相似之處，但兩者有著本質(zhì)的區(qū)別。
結(jié)束語(yǔ)
一個(gè)小小的電子，帶給我們精彩的生活世界，這源自科學(xué)家們對(duì)于電子行為的深入了解。我們今天所有的高科技設(shè)備，都與這些微小的基本粒子的運(yùn)動(dòng)方式有關(guān)。正是電子那些精彩的舞蹈，給我們帶來(lái)了光、帶來(lái)了熱，帶來(lái)了信息時(shí)代，更帶來(lái)了我們對(duì)這個(gè)世界的深刻理解。
對(duì)于電子，她不是粒子、也不是波、也不是云、也不是霧，我們不妨放下想把電子的行為與宏觀物質(zhì)行為進(jìn)行對(duì)比的想法，電子就是電子，她具有波粒二象性，或者更簡(jiǎn)單點(diǎn)，什么定義都不要做，她就是這個(gè)樣子的，她是什么樣就是什么樣。
親愛(ài)的朋友們，本文關(guān)于電子的話題就寫(xiě)到這里了。我是郭哥聊科學(xué)，普及科學(xué)知識(shí)，傳播科學(xué)精神，持續(xù)為大家提供高質(zhì)量的科普文章。
