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常见问题

电子究竟是什么形状?

作者:admin 发布时间:2020-08-04 23:38点击:

说到电子的形状,相信大部分人都会觉得,电子不应该像小球一样是个球形吗,这算个什么问题,确实我们对电子的印象,应该大部分都来源于各种原子结构的图片,一堆小球围绕着原子核,但是如果电子是个小球,那么很容易又让人联想到,这个小球又是由什么组成的呢,大家知道电子属于标准粒子模型中的轻子,属于不可再分的基本粒子,所以电子的尺寸是非常小的,正因为电子足够小,还可以利用它使我们“看到”那些,极其微小尺寸的物体,这就是扫描电子显微镜,关于它的原理打个简单的比喻。

假如地上有一颗树,这时候下雨了,一阵小雨过后地面都湿了,只有树下的这部分是干的,于是我们通过这片干燥的地面的轮廓,就能大概得出这棵树俯视的样子,这里的雨滴就像是扫描电子显微镜中,用来轰击被观测物体的一个个电子,然后我们通过观测被轰击后产生的各种物理现象,从而间接的描绘出被观测物体的轮廓,其他物体的形状我们可以用电子去观测,那电子本身的形状我们该怎么去观测呢,因为实在找不到比电子还小的粒子了呀,然后科学家想到,那就直接用电子去测量电子,也就是拿电子去轰击被测量电子,然后利用散射测量电子占据的空间,从而间接的得到被测量电子的半径,理论上似乎可行,可是实验结果却很尴尬。

为什么这么说,就是这个被测量的电子的半径,会随着轰击电子的能量大小而变化,因为轰击电子的能量,一部分会传递给被测量的电子,被测量的电子的能量变高了,意味着它的波动频率就增加了,那么它的波长就变短了,也就是粒子性变得更显著,半径就会更小,于是要测量更精确的半径,就需要能量更大的电子去轰击它,这导致了被测量电子吸收能量后,半径更小了,这就陷入了一个死循环,直到波长逼近“康普顿波长”这一下限,康普顿波长是基于狭义相对论和量子力学的,测量粒子位置的基本限制,所以说在理论上,电子只有可测量的半径。

虽然电子有半径,但是通常我们认为,电子它是没有内部结构的,或者说它的内部结构对我们是未知的,所以物理学家把电子叫做点粒子,也就是零维度,从这个角度来说也可以认为,电子是没有形状的,它只是一个几何上的点,但实际上的电子,并不是真正意义上的,没有大小的质点,更多情况下是因为,我们无需研究其内部结构,所以为了方便计算,才可以把它看成一个点,真实情况是,电子应该是一团有大小和形状的云,这可不是原子核周围的电子云,这个云是由电子中心周围。

不断出现并消失的正反粒子对儿组成的,所以电子的形状在一定意义上,也可以看作是这团云的形状,但是单从理论上有些人认为,这团云应该是完美的“球形”,而有些人则认为,可能由于电荷分布的不均匀,它应该更像一个“蛋形”,那究竟是什么形状呢,还是实验说了算,不同于刚才说的,用电子轰击电子的观测方式,这次实验是通过测量电子的电偶极矩,来判断电子是否为球形,电偶极矩越小,它的形状越接近完美的球形,截止2014年的实验结果表明,电子的电偶极矩应该非常小,以至于当前的实验设备无法检测到这个值,所以姑且可以认为它的电偶极矩是零。

电子确实是一个完美的球形,当前的误差仅为10^27分之一,这是个什么概念,假如把电子放大到太阳那么大,它在各方向上半径之间的误差,最多不超过一根头发丝,这就是现阶段我们对电子形状的认识。

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