經(jīng)常聽(tīng)到“光電相互轉(zhuǎn)換”、“光子能產(chǎn)生電子”的說(shuō)法，這些不準(zhǔn)確的提法容易對(duì)公眾造成誤導(dǎo)，因此決定寫一篇文章進(jìn)行澄清，希望對(duì)大家認(rèn)識(shí)光子與電子有所幫助。

光子與電子都是極小的“東西”，我們能看見(jiàn)光，但看不見(jiàn)電子，這并不代表電子比光子更小，事實(shí)上電子是這個(gè)世界上目前已知第二小的粒子，比電子更小的是中微子。那么光子呢？物理學(xué)中的光子它實(shí)際上只是能量的載體。

光子與電子的關(guān)系

是不是有點(diǎn)暈？本文就跟你講明白，光子與電子究竟是什么。

電子的客觀存在

電子是一種基本物質(zhì)粒子，它在原子核的外圍高速運(yùn)行。到目前為止，科學(xué)家們都無(wú)法將電子打散，它被認(rèn)為是不能分割的粒子。我們通常會(huì)將原子核想象成太陽(yáng)，將圍繞著原子核運(yùn)動(dòng)的電子想象成圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的行星，比如水星、地球或木星，但事實(shí)上并不如此。

太陽(yáng)系的行星圍繞太陽(yáng)作橢圓運(yùn)動(dòng)，電子可沒(méi)這么老實(shí)

氫原子是世界上最小也是最簡(jiǎn)單的原子，它的原子核就是一個(gè)質(zhì)子，質(zhì)子帶一個(gè)正電荷，圍繞著這個(gè)質(zhì)子運(yùn)行的只有一個(gè)帶負(fù)電荷的電子，電子由于靜電引力的作用圍繞著質(zhì)子運(yùn)動(dòng)。即便如此，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡也不是一個(gè)圓或橢圓。由于電子繞核運(yùn)動(dòng)的速度接近光速，當(dāng)我們觀察這個(gè)電子時(shí)，它的運(yùn)動(dòng)軌跡更像是地球周圍的“大氣層”，電子會(huì)隨機(jī)出現(xiàn)在原子核周圍“大氣層”的任何一個(gè)點(diǎn)上，這些點(diǎn)形成一個(gè)“殼層”，我們稱之為電子云。

氫原子的電子云

對(duì)于擁有更多電子的復(fù)雜原子來(lái)說(shuō)，它的每一個(gè)電子都會(huì)出現(xiàn)在自己的概率區(qū)，這是由每個(gè)電子各自的能級(jí)所決定的，物理上將這些概率區(qū)稱為電子軌道。按照泡利不相容原理，每個(gè)電子軌道最多只能被兩個(gè)電子占據(jù)，并且這兩個(gè)電子的自旋方向必須相反。

為什么電子并不會(huì)像行星那樣老老實(shí)實(shí)地呆在自己的橢圓軌道里，而是圍繞著原子核“亂竄”？這是因?yàn)殡娮釉谶\(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷地向外輻射能量，同時(shí)它也會(huì)從外部吸收能量。我們知道電子是有質(zhì)量的粒子，盡管電子是輕子，它的質(zhì)量極小，只有約0.511MeV/C2（約9.109×10?31千克），但當(dāng)它以極高的速度圍繞原子核運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)也會(huì)對(duì)外釋放出能量，這個(gè)能量以光子的形式向外發(fā)射。當(dāng)電子的能量減少，它的軌道就會(huì)降低，角動(dòng)量也將發(fā)生細(xì)微變化。反過(guò)來(lái)，當(dāng)電子與外來(lái)光子發(fā)生碰撞時(shí)，光子會(huì)將自己的能量傳遞給電子，這將推高電子的軌道，因此電子會(huì)在自己基態(tài)軌道上不停地變化運(yùn)行軌跡。如果電子獲得的能量足夠大，它會(huì)發(fā)生能級(jí)躍遷、跳到更高軌道，甚至脫離原子核的束縛變成一顆自由電子。

當(dāng)我們給氫以不同能量，它的電子軌跡就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化

光子的波粒二象性

對(duì)于量子物理學(xué)來(lái)說(shuō)，光子實(shí)際上是一份一份的能量，它被稱為“光的能量子”。雖然光子兼具粒子的特性，但它不是一個(gè)具體的粒子，這有點(diǎn)像“聲子”和“膠子”。目前普遍接受的物理理論暗示或假設(shè)光子是嚴(yán)格無(wú)質(zhì)量的，這意味著不存在光子這個(gè)“東西”，所以光子的停止質(zhì)量被定義為0。光子一產(chǎn)生就以光速在運(yùn)動(dòng)，它是能量，按照愛(ài)因斯坦相對(duì)論中質(zhì)量與能量的關(guān)系，我們認(rèn)為光子擁有“動(dòng)質(zhì)量”。

光子沒(méi)有靜止質(zhì)量，電子有質(zhì)量

如果光子不是嚴(yán)格無(wú)靜止質(zhì)量的粒子，按照相對(duì)論，任何有質(zhì)量的物體不會(huì)以真正的光速c運(yùn)動(dòng)。光子的速度將取決于它的頻率，肯定比光速更低。但相對(duì)論不會(huì)受到光子質(zhì)量的影響，因?yàn)樵谙鄬?duì)論中所謂的光速c不是是光子移動(dòng)的實(shí)際速度，而是一個(gè)自然常數(shù)，它是任何物體在理論上可以在時(shí)空中達(dá)到的速度上限。因此在相對(duì)論中，光速仍然是時(shí)空波紋（引力波和引力子）的速度，但它不是光子的速度。

光子是否擁有靜止質(zhì)量對(duì)于麥克斯韋方程和庫(kù)侖定律的影響更大，庫(kù)侖定律將被迫做出修改，許多我們熟知的物理學(xué)定律也將隨之進(jìn)行修正。但到目前為止，光子靜止質(zhì)量的問(wèn)題還在科學(xué)家們不斷地求證之中。

光子的波屬性

雖然像所有的基本粒子一樣，光子表現(xiàn)出波粒二重性，兼具波和粒子的雙重特性。但光子的波和量子質(zhì)量是單個(gè)現(xiàn)象的兩個(gè)可觀察的方面，我們不能機(jī)械地描述它。也就是說(shuō)我們不能說(shuō)光的能量處于光波前的某些點(diǎn)，也不能在空間定位光量子。

鑒于光子的這些特性，我們明白了，不能將光子與電子相等同，光子不是電子，光子也不會(huì)憑空產(chǎn)生出電子。

那么光電效應(yīng)是怎么回事？

難道太陽(yáng)能電池里的電子不是由光子產(chǎn)生的嗎？

光電效應(yīng)不是憑空創(chuàng)造出電子

當(dāng)光照射到任何材料表面時(shí)，它會(huì)將能量傳遞給目標(biāo)，其中一部分能量會(huì)傳遞給電子。電子接收到光的能量會(huì)引發(fā)自己的動(dòng)能變化，從而沖到更高的能級(jí)，如果電子吸收到的電子能量不足以使自己擺脫原子，它會(huì)釋放一個(gè)光子，然后回到自己原來(lái)的軌道上；而當(dāng)最外層電子獲得足夠的能量，它會(huì)擺脫原子的束縛，變成自由電子。

由此我們可以看出，光電效應(yīng)并不是光子產(chǎn)生了電子，而是電子接收到光的能量，從而使自己變成自由電子，當(dāng)材料中的電勢(shì)積聚，就可以產(chǎn)生電流。

總結(jié)：

光由物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，電子在其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于軌道發(fā)生偏轉(zhuǎn)而對(duì)外釋放能量，原子核內(nèi)部基本粒子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中也會(huì)對(duì)外釋放能量，這種能量的釋放大多表現(xiàn)為光的發(fā)射。

電子激發(fā)可以產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的光

光子由物質(zhì)不斷產(chǎn)生，物質(zhì)因?yàn)橄蛲忉尫拍芰慷蛊渥陨淼馁|(zhì)量產(chǎn)生變化。與此同時(shí)，物質(zhì)也在不斷地吸收其同圍的光子，以平衡其質(zhì)量虧損。

根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)的定義，光子沒(méi)有靜止質(zhì)量，但光子在以光速運(yùn)行的過(guò)程中擁有動(dòng)質(zhì)量，這個(gè)動(dòng)質(zhì)量是其本身能量的體現(xiàn)。

電子不會(huì)憑空產(chǎn)生也不會(huì)憑空消失，電子可能會(huì)衰變成伽馬射線光子和能量，但這個(gè)過(guò)程極其漫長(zhǎng)，根據(jù)計(jì)算電子的平均壽命將高于6.6×102?年，它也許會(huì)比宇宙的壽命更長(zhǎng)久。當(dāng)一個(gè)電子與一個(gè)正電子相遇，它們會(huì)發(fā)生湮滅，產(chǎn)生兩個(gè)或兩個(gè)以上伽馬射線光子和強(qiáng)大能量，這種情況在恒星內(nèi)部經(jīng)常發(fā)生，它是恒星中核聚變的中間過(guò)程。

綜上所述，電子與光子是兩種完全不同的東西，電子是物質(zhì)的基本粒子，而光子更多地表現(xiàn)為能量的片段；電子在運(yùn)動(dòng)和湮滅過(guò)程中可以釋放光子，但光子并不能憑空產(chǎn)生電子，它只能給電子以能量，使其動(dòng)能發(fā)生改變，甚至脫離原子變成自由電子。

關(guān)于光子與電子，你明白了嗎？