经典物理学中的未解之谜（物理学家讲电子）

什么是最外层电子 100年前物理学家都搞不懂的神秘电子，你了解过吗？通俗解释来了

生活中我们经常会听到电子这个名词，电子作为粒子的一种，其特性却不为大多数人所知。而叩开电子世界大门，也不过是一百年前。

初高中教科书上的电子绕核运动并不严谨

上过学的人或者稍微对物理有一点兴趣的人，在科普书上都会看到电子是绕着原子核，按固定的轨道转动。这一先入为主的直观图像，在现代物理看来是不对的。

为什么不对？我们经常将电子运行轨道类比行星绕着太阳转，似乎是发现了微观与宏观之间的联系。这也是汤姆孙、卢瑟福、玻尔等物理学家所倚仗的经典力学。

事实上，电子在原子核外有时以粒子形式、有时又是一种“物质波”的形式存在。这里要清楚电子在原子中的大小，一般将原子比作一个大的足球场，那么原子核就相当于其中的一粒砂子，砂子之外、足球场以内的巨大空间，就是电子的运动范围。

电子的“站队”——井然有序

对于多电子原子，电子在原子核外按能量高低，分层排列。就好比一个大的圆形看台，之一层为2个电子“观众”，第二层为这8个电子“观众”，再往后又是2个电子，接着8个电子等等，按照能量更低原理排列下去。

以第1层的2个电子“观众”为例，它们离原子核最近，能量很低，以球形在原子核外运动，也就是说它们可能的运动范围是球形的。在某一时间，在这个球内的任何一处，都有可能探测到电子。所以电子运动不是按固定的轨道，而是像带负电的“云”笼罩在原子核周围，于是被形象地称为“电子云”。

电子云示意图

电子不等同于电荷

电子是更先发现的基本粒子，带负电荷。它既可以被原子核束缚，也可以是自由运动的。对于导电的金属，通常是表面很多的自由电子运动产生电流。

带电粒子时常被称为电荷，有人直接将电子等同于电荷，这是有失偏颇的。因为电荷本身并非粒子，只是为了方便描述，可以说电荷是跟着带电粒子一起移动的。官方定义是这样的电荷是许多亚原子粒子所拥有的一种基本守恒性质。

负电荷与正电荷

有趣的是，宇宙也存在正电子，即带正电荷的“电子”。在大爆炸的最初几秒钟时间，温度远远高过100亿摄氏度。那时，光子的平均能量很高，有足够的能量来创生电子和正电子对。大约每10亿个电子中，会有一个正电子经历了湮灭过程而存留下来。而宇宙净电荷量为零，呈电中性。

物理学中的有些问题太过本质，目前的科学还无法解答，许多物理定律都还只是现象级的，比如，万有引力定律、库仑定律、光速不变，这些都只是实验结果而已，就像苹果砸牛顿一样先发现了一个现象。

关于电子的研究仍在继续，是现代社会的基石。例如科学家会谈论到电子的质量和电荷，却不怎么提电子的体积，因为目前根本测不出来。还有其他理论阐释了电子的性质，例如弦理论认为电子也不是最基本的结构，包括电子在内的所有基本粒子都是由振动的弦所组成。

看了本文，你简单了解“电子”了吗？是否有了更进一步的认识呢？欢迎留言讨论。

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物理学家讲电子 物理十大经典原理图