100年前物理學家都搞不懂的神秘電子，你了解過嗎？通俗解釋來了
2020-07-02 理說萬物生活中我們經常會聽到電子這個名詞，但是電子作為粒子的一種，其特性卻不為大多數人所知。而叩開電子世界大門，也不過是一百年前。
初高中教科書上的電子繞核運動並不嚴謹
上過學的人或者稍微對物理有一點興趣的人，在科普書上都會看到電子是繞著原子核，按固定的軌道轉動。這一先入為主的直觀圖像，在現代物理看來是不對的。
為什麼不對？我們經常將電子運行軌道類比行星繞著太陽轉，似乎是發現了微觀與宏觀之間的聯繫。這也是湯姆孫、盧瑟福、玻爾等物理學家所倚仗的經典力學。
事實上，電子在原子核外有時以粒子形式、有時又是一種「物質波」的形式存在。這裡要清楚電子在原子中的大小，一般將原子比作一個大的足球場，那麼原子核就相當於其中的一粒砂子，砂子之外、足球場以內的巨大空間，就是電子的運動範圍。
電子的「站隊」——井然有序
對於多電子原子，電子在原子核外按能量高低，分層排列。就好比一個大的圓形看臺，第一層為2個電子「觀眾」，第二層為這8個電子「觀眾」，再往後又是2個電子，接著8個電子等等，按照能量最低原理排列下去。
以第1層的2個電子「觀眾」為例，它們離原子核最近，能量很低，以球形在原子核外運動，也就是說它們可能的運動範圍是球形的。在某一時間，在這個球內的任何一處，都有可能探測到電子。所以電子運動不是按固定的軌道，而是像帶負電的「雲」籠罩在原子核周圍，於是被形象地稱為「電子云」。
電子云示意圖
電子不等同於電荷
電子是最先發現的基本粒子，帶負電荷。它既可以被原子核束縛，也可以是自由運動的。對於導電的金屬，通常是表面很多的自由電子運動產生電流。
帶電粒子時常被稱為電荷，但是有人直接將電子等同於電荷，這是有失偏頗的。因為電荷本身並非粒子，只是為了方便描述，可以說電荷是跟著帶電粒子一起移動的。官方定義是這樣的：電荷是許多亞原子粒子所擁有的一種基本守恆性質。
負電荷與正電荷
有趣的是，宇宙也存在正電子，即帶正電荷的「電子」。在大爆炸的最初幾秒鐘時間，溫度遠遠高過100億攝氏度。那時，光子的平均能量很高，有足夠的能量來創生電子和正電子對。大約每10億個電子中，會有一個正電子經歷了湮滅過程而存留下來。而宇宙淨電荷量為零，呈電中性。
結語
物理學中的有些問題太過本質，目前的科學還無法解答，許多物理定律都還只是現象級的，比如，萬有引力定律、庫侖定律、光速不變，這些都只是實驗結果而已，就像蘋果砸牛頓一樣先發現了一個現象。
關於電子的研究仍在繼續，是現代社會的基石。例如科學家會談論到電子的質量和電荷，卻不怎麼提電子的體積，因為目前根本測不出來。還有其他理論闡釋了電子的性質，例如弦理論認為電子也不是最基本的結構，包括電子在內的所有基本粒子都是由振動的弦所組成。
看了本文，你簡單了解「電子」了嗎？是否有了更進一步的認識呢？歡迎留言討論。
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