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经常听到“光电相互转换”、“光子能产生电子”的说法，这些不准确的提法容易对公众造成误导，因此决定写一篇文章进行澄清，希望对大家认识光子与电子有所帮助。 光子与电子都是极小的“东西”，我们能看见光，但看不见电子，这并不代表电子比光子更小，事实上电子是这个世界上目前已知第二小的粒子，比电子更小的是中微子。那么光子呢？物理学中的光子它实际上只是能量的载体。 光子与电子的关系 是不是有点晕？本文就跟你讲明白，光子与电子究竟是什么。 电子的客观存在电子是一种基本物质粒子，它在原子核的外围高速运行。到目前为止，科学家们都无法将电子打散，它被认为是不能分割的粒子。我们通常会将原子核想象成太阳，将围绕着原子核运动的电子想象成围绕太阳旋转的行星，比如水星、地球或木星，但事实上并不如此。 太阳系的行星围绕太阳作椭圆运动，电子可没这么老实 氢原子是世界上最小也是最简单的原子，它的原子核就是一个质子，质子带一个正电荷，围绕着这个质子运行的只有一个带负电荷的电子，电子由于静电引力的作用围绕着质子运动。即便如此，电子的运动轨迹也不是一个圆或椭圆。由于电子绕核运动的速度接近光速，当我们观察这个电子时，它的运动轨迹更像是地球周围的“大气层”，电子会随机出现在原子核周围“大气层”的任何一个点上，这些点形成一个“壳层”，我们称之为电子云。 氢原子的电子云 对于拥有更多电子的复杂原子来说，它的每一个电子都会出现在自己的概率区，这是由每个电子各自的能级所决定的，物理上将这些概率区称为电子轨道。按照泡利不相容原理，每个电子轨道最多只能被两个电子占据，并且这两个电子的自旋方向必须相反。 为什么电子并不会像行星那样老老实实地呆在自己的椭圆轨道里，而是围绕着原子核“乱窜”？这是因为电子在运动过程中不断地向外辐射能量，同时它也会从外部吸收能量。我们知道电子是有质量的粒子，尽管电子是轻子，它的质量极小，只有约0.511MeV/C²（约9.109×10⁻³¹千克），但当它以极高的速度围绕原子核运动时，由于电场偏转也会对外释放出能量，这个能量以光子的形式向外发射。当电子的能量减少，它的轨道就会降低，角动量也将发生细微变化。反过来，当电子与外来光子发生碰撞时，光子会将自己的能量传递给电子，这将推高电子的轨道，因此电子会在自己基态轨道上不停地变化运行轨迹。如果电子获得的能量足够大，它会发生能级跃迁、跳到更高轨道，甚至脱离原子核的束缚变成一颗自由电子。 当我们给氢以不同能量，它的电子轨迹就会产生相应变化 光子的波粒二象性对于量子物理学来说，光子实际上是一份一份的能量，它被称为“光的能量子”。虽然光子兼具粒子的特性，但它不是一个具体的粒子，这有点像“声子”和“胶子”。目前普遍接受的物理理论暗示或假设光子是严格无质量的，这意味着不存在光子这个“东西”，所以光子的停止质量被定义为0。光子一产生就以光速在运动，它是能量，按照爱因斯坦相对论中质量与能量的关系，我们认为光子拥有“动质量”。 光子没有静止质量，电子有质量 如果光子不是严格无静止质量的粒子，按照相对论，任何有质量的物体不会以真正的光速c运动。光子的速度将取决于它的频率，肯定比光速更低。但相对论不会受到光子质量的影响，因为在相对论中所谓的光速c不是是光子移动的实际速度，而是一个自然常数，它是任何物体在理论上可以在时空中达到的速度上限。因此在相对论中，光速仍然是时空波纹（引力波和引力子）的速度，但它不是光子的速度。 光子是否拥有静止质量对于麦克斯韦方程和库仑定律的影响更大，库仑定律将被迫做出修改，许多我们熟知的物理学定律也将随之进行修正。但到目前为止，光子静止质量的问题还在科学家们不断地求证之中。 光子的波属性 虽然像所有的基本粒子一样，光子表现出波粒二重性，兼具波和粒子的双重特性。但光子的波和量子质量是单个现象的两个可观察的方面，我们不能机械地描述它。也就是说我们不能说光的能量处于光波前的某些点，也不能在空间定位光量子。 鉴于光子的这些特性，我们明白了，不能将光子与电子相等同，光子不是电子，光子也不会凭空产生出电子。 那么光电效应是怎么回事？难道太阳能电池里的电子不是由光子产生的吗？ 光电效应不是凭空创造出电子 当光照射到任何材料表面时，它会将能量传递给目标，其中一部分能量会传递给电子。电子接收到光的能量会引发自己的动能变化，从而冲到更高的能级，如果电子吸收到的电子能量不足以使自己摆脱原子，它会释放一个光子，然后回到自己原来的轨道上；而当最外层电子获得足够的能量，它会摆脱原子的束缚，变成自由电子。 由此我们可以看出，光电效应并不是光子产生了电子，而是电子接收到光的能量，从而使自己变成自由电子，当材料中的电势积聚，就可以产生电流。 总结：光由物质的运动产生，电子在其运动过程中由于轨道发生偏转而对外释放能量，原子核内部基本粒子在运动过程中也会对外释放能量，这种能量的释放大多表现为光的发射。 电子激发可以产生不同波长的光 光子由物质不断产生，物质因为向外释放能量而使其自身的质量产生变化。与此同时，物质也在不断地吸收其同围的光子，以平衡其质量亏损。 根据经典物理学的定义，光子没有静止质量，但光子在以光速运行的过程中拥有动质量，这个动质量是其本身能量的体现。 电子不会凭空产生也不会凭空消失，电子可能会衰变成伽马射线光子和能量，但这个过程极其漫长，根据计算电子的平均寿命将高于6.6×10²⁸年，它也许会比宇宙的寿命更长久。当一个电子与一个正电子相遇，它们会发生湮灭，产生两个或两个以上伽马射线光子和强大能量，这种情况在恒星内部经常发生，它是恒星中核聚变的中间过程。 综上所述，电子与光子是两种完全不同的东西，电子是物质的基本粒子，而光子更多地表现为能量的片段；电子在运动和湮灭过程中可以释放光子，但光子并不能凭空产生电子，它只能给电子以能量，使其动能发生改变，甚至脱离原子变成自由电子。 关于光子与电子，你明白了吗？ |
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