一個瓶子中裝滿電子會怎麼樣？它會有多大能量？

2020-10-18 星辰大海種花家

電子是人類發現的第一個基本粒子，它帶有負電荷，電量為1.602176634×10^-19庫侖，質量為9.10956×10^-31kg，在經典的原子模型中電子圍繞著原子核旋轉，但量子論發展後電子的行為有些撲朔迷離，而且根據量子論，瓶子根本沒法裝滿電子，而且瓶子也裝不住電子，這是為何？

發現電子

電子是英國物理學家湯姆遜在1897重複赫茲的實驗時發現的，但當時湯姆遜並沒有意識到這就是電子，湯姆遜在1899年做光電效應實驗與熱離子發射實驗時才確認，之後湯姆遜根據其發現的電子設想了一個葡萄乾補丁的原子模型，當然我們知道這個模型是錯的。

  • 原子模型

1909年盧瑟福在指導學生做α粒子散射時發現了原子核，並且根據α粒子散射的角度計算出原子核是一個極小但密度極大的存在，因此盧瑟福修正了湯姆遜的葡萄乾補丁模型，祭出了盧瑟福的經典原子模型性，但很可惜也是錯的。

因為原子是中性的，所以原子核必定帶正電荷與電子中和，因此繞著正電荷旋轉的電子將會瞬間落入原子核，原子崩潰，所以盧瑟福的原子模型不會存在超過一秒。但盧瑟福的學生玻爾認為這個模型是正確的，只是必須引入一個普朗克的量子化概念，電子有自己的軌道。它的能量輻射和吸收都是量子化的，當然大獲成功，不過要了解電子的特性的話我們還必須了解下以下幾位大神的研究。

  • 電子的各種特性

泡利給玻爾原子模型中的電子規定了泡利不相容原理，因為電子之間存在費米子不能處於同一基態的原因，所以它們才會在自己的軌道上在原子中運動（泡利不相容不屬於四大作用力，僅僅是電子不能處在同一狀態的簡併力）

費米子不相容

德布羅意發現電子根據電子的能量以及普朗克的E=HV公式推導出電子還是個波，電子在前進時的波速高於光速，德布羅意將其稱為相波。

波恩為薛丁格的波動方程中的電子分布機率ψ是一個概率，並不是一個空間分布函數，ψ 的平方代表了電子在某個地點出現的「概率」。

海森堡則發現了不確定性原理，簡單的說電子的動量和位置是不可能同時獲知的。

以上就是對電子的理解，也許科學界都沒想到，一顆小小的電子居然困擾了科學及幾十年的時間，而且奧最後還爭得面紅耳赤，儘管最後確定下來了電子的波粒二象性，但關於它的一些特性，即使在將近100年後的今天仍然爭論不休。

能將電子裝在玻璃瓶裡嗎？

其實將電子裝進玻璃瓶並不難，每個再真空的瓶子裡都會有幾個原子，因為地球上的真空設備製造不出絕對真空的空間，所以電子就會隨著原子在瓶子裡遊蕩。或者用德國物理學家F.布朗發明的應急射線管，在瓶子外加上磁場，用陰極射線管轟擊玻璃瓶即可，假設它不與內壁產生轟擊衍射等物理效應，那麼電子就會在內部堆積起來。

陰極射線管

按粒子性來描述的話，它無法裝滿瓶子，會留有大量的空隙，有兩個效應，一個是庫侖斥力，另一個是泡利不相容原理，所以它們之間的空隙會很大。

按波動性來描述的話，它根本沒法裝，瓶子怎麼能裝得住波呢？所以這個問題很有趣，理論上來看，當我們不觀測時電子是不確定的，更多的時候表現出的是一個波，比如它能同時通過兩條狹縫產生幹涉條紋，但它的粒子性又會受到磁場控制偏轉。

還有它的不確定性原理和概率性因素，電子在瓶子裡可能呆不住，畢竟沒有原子核束縛的電子成了自由電子，不確定性原理和概率論，以及波粒二象性，上帝，你咋會做這種事情呢？

一瓶電子有多重，有多少電量？

按一礦泉水瓶來計算？假如密密麻麻的塞滿電子的話，能塞進多少千克呢？當然那些啥啥啥量子論的各種效應就不考慮了，比如克服了庫侖斥力，也克服了簡併力，按經典的粒子一個個裝進去來假設計算！

孔徑光柵下的原子世界

電子的直徑：10^^-15m，那麼一個瓶子裡可以裝下：5.2359877559829887307710723054658e-46個電子

電子的質量為：9.10956×10^-31kg，那麼這些電子有869940918.9噸

大約是：8.7億噸

如果全部中和，那麼產生的能量為：152987120352438518392560J

如果按TNT算的話大約是：36564799319416.47噸

大約是：36.56萬億噸TNT的能量

不錯吧，這能量相當可觀，就是很難弄這麼多電子，弄進去了也藏不住哈！

另外一個小小的瓶子無法束縛住這些電子的庫侖斥力和簡併力，當外力一旦撤除後，它們會恢復到原來的排斥狀態，簡單的說會爆炸，產生的威力可能是有史以來地球上最大的爆炸，但卻不會炸出什麼碎片來，因為電子大家也看不到。

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