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电子是粒子还是波?

 昵称11935121 2018-09-04

电现象是一种很早就被人们发现的自然现象,比如生物电现象等。

最初人们认为电是一种流体,就好比人们早期有热质说,把热想象为是热质的流体。

根据原子论,很自然地人们会设想电也是一种原子,即存在携带电的最小单元。

法拉第电解定律可以看做是电的原子学说的一个证据。在电解定律中阴极、阳极产生物质的量与通过电路的总电量是成比例的,这提示我们化学反应伴随着带电粒子的转移。

为了解释金属的导电现象(欧姆定律),洛伦兹等提出了经典电子论,即认为导体中存在大量叫电子的带电单元,这些带电单元在电场的驱动下做加速运动,然后会与金属中的障碍物(阳离子)发生碰撞,最终完全失去碰撞前粒子所具有的运动状态的信息,在这个物理图像下,洛伦兹等可以解释金属的欧姆定律。

洛伦兹(1853-1928)

注意,在洛伦兹等的经典电子论里,电子就已经是作为粒子存在的了,因为这个电子具有质量,在电场中被加速并按牛顿定律做加速运动。

紧接着发生了两个重要的实验,使人们彻底接受电子是一种粒子。一个实验是汤姆逊的电子偏转实验,汤姆逊用磁场和电场使阴极射线发生偏转,并断定阴极射线是一种带负电的粒子,并测量出其荷质比(电荷与质量的比值)。

几乎与此同时,塞曼测量了金属在磁场中光谱线的分裂,洛伦兹立刻基于自己的经典电子论解释了塞曼的实验,并计算出了金属中电子的荷质比,然后发现这个数字与汤姆逊实验中所测出的数字一致。

这两个实验是完全不同的实验,但基于相同的物理图像得到了相同的荷质比,这促使物理学家相信电子确实是一种粒子。

根据原子论,物质是由原子构成的,如果说电子是构成原子的一个要素的话,那么说明原子中还有带正电的部分。

卢瑟福散射实验示意。

卢瑟福散射实验说明原子中的正电部分是集中分布的,我们称其为原子核。现在电子就在空旷的原子里运动,那么它是如何运动的呢?

根据经典力学,电子可以围绕原子核做圆周运动,但由于电磁相互作用太强了,电子在围绕原子核运动的同时会放出电磁波,能量会很快损失掉,这造成原子是不稳定的,寿命只有10的-10次方秒。

但事实上原子是相当稳定的,比如我们的身体里面有大量氢原子,这些氢原子是非常稳定的,那么如何解释原子的稳定性呢?

德布罗意提出了一种想法,既然电磁波(光)可以是粒子,那么为什么电子(粒子)不能是一种波呢?他管这种波叫物质波,物质波的波长等于普朗克常数除以动量。

既然电子是波,它就要满足一个波动方程,而非牛顿定律,这个波动方程后来被薛定谔找到了,就是所谓薛定谔方程。

在量子力学中电子是粒子(因为它是点),但它却由一个波函数描述,波函数的运动必须满足薛定谔方程,及特定的边界条件(边界条件由物理问题本身给定),这样氢原子的稳定性问题就解决了。

氢原子的一个波函数ψ431,可以想象为在三维空间中分布的“波函数的驻波”。

电子的运动由波函数描述这一断言后来被“戴维逊-革末实验”所证实,这也是现在电子显微镜的物理学基础。

那么电子是粒子?还是波呢?

我的答案是电子是一种粒子,但它是由波函数描述的,波函数随时间的变化遵循薛定谔方程,波函数的模方满足玻恩的统计解释,即波函数绝对值的平方正比于发现粒子的几率。

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