电子是基本粒子吗

    “电子”这一概念，我们并不陌生。如果你问：“电子是什么?”很多人都会给你这样一个简单的回答：电子是构成原子的一种微小物质颗粒。在原子内，一个或多个电子围绕原子核作永不停息地运动。但是，如果你继续追闯：电子到底有多大?质量是多少?它带有多少电荷?电子怎样围绕原子核运动?电子是最小的粒子吗?它还能不能由更小的粒予组成?电子是否还可以有波动的性质?等等。恐怕回答就不容易了。
   其实，这些问题正是多少年来物理学家们所研究的，其中许多问题已经有了明确的答案。不过，电予这个小东西并不简单，人们越来越认识到它是一个十分复杂的小不点，至今对它的有些问题还没有弄清。

电子是最早发现的一种“基本粒子”
    “电子”这一名称，是在1881年由爱尔兰的物理学家G·约翰斯通·斯托尼(1826～1911年)命名的。他预言：物体所带的电荷有一个最小的单位，携带这一最小电荷的粒子称为“电子"。
    果然，在1897年英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊(1856—1940年)通过对阴极射线的实验研究发现，从阴极材料原子中射出的射线是许多带负电荷而质量很小的粒子，这就是电子。电子的发现，打破了长久以来“原子不可分”的观念，为此，J·J·汤姆逊荣获了l906年诺贝尔奖。
    那么，电子又如何在原子内运动呢?1911年英籍新西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福(1871～1937年)根据a粒子散射实验，提出了与太阳系结构类似的原子结构“行星模型”，也称为“核式模型”。1 91 3年月麦物理学家尼尔斯·亨里克·戴维·玻尔(1885～1 962年)又做了改进。同时，一些物理学家对电子本身的特性和原子核内部的结构也进行了研究。他们作出了如下的描述：原子的中心是原子核，其大小(用半径表示)约为原子的万分之一，但却集中了绝大部分质量和全部正电荷。电子像行星绕太阳运动那样围绕原子核高速旋转。但是，电子只能在一些大小不同的某些椭圆轨道上运动。
    核外电子所带负电的总和，数值上与核的正电荷相同，所以整个原子是中性的。电子的大小和质量都极小，它的半径只为氢原子的十万分之一，它的质量是氢原子的1/1836。
    电子就是这样的一种极微小的物质粒予。在外界的激发下它还可以脱离原子而成为“自由电子”。金属导线中的电流就是大量自由电子移动或振动形成的。
    进一步发现原子核也是可分的，它由不带电的中子和带正电的质子构成。中子和质子的质量基本相同。核内的质子数与核外的电子数是一样的，所以原子才整体表现为中性。
    电子的发现，打破了“原子不可分”的观念；中子、质子的发现，进一步证明原子核也可分。那么，电子、中子和质子还可以再分吗?由于在实验上当时还没有明显迹象，因此人们就把它们称为“基本粒子”。这里的“基本”就含有“不可分”之意。后来又发现属于这类“基本粒子”达几百种，例如光子、U子、中微子、超子、介子等等。正如著名美籍意大利物理学家恩里科·费米所指出的，“基本粒子”的概念，与其说反映这些粒子是“基本”的，不如说是反映了人们列微观世界的认识水平。

电子真是不可再分吗?
    1968年，美国斯坦福加速中心的实验首先证实，质子内有许多小颗粒状的带电粒子。至今，质子、中子内部有结构的看法已被物理学家们所公认。已经有理论认为，它们是由更小的粒子—夸克和胶子组成，l981年，德国科学家进行的实验证实，光子也有内部结构，虽然具体细节还有待研究，目前．还没有实验能确实证明电子有内部结构。但是可以推论，电子也应当可以再分，它不会是一个简单而“基本，的最小粒子。我们期待着今后实验和理论给出明确的答案．

令人奇怪的事实
    电子具有粒子性，是我们容易理解的。例如，从发射装置射出一粒电子并让它能穿过一个很小的孔。如果沿路没有什么阻碍的话(最好是真空)，从电子具有粒子性理解，它会像子弹一样沿直线打到屏上的P点(见下图)。

电子衍射图像

   但是，在1928年，英国物理学家乔治·佩格·汤姆孙(1892—1975年，就是发现电子的汤姆孙之子)，用快速电子穿过薄金属片作了上述的实验，屏上显示的结果却令人惊讶(见上右)。
    这一结果说明，有的电子穿过小孔后射到屏上P点以外的区域，电子居然自己拐弯了！这显然不是电子的粒子特性，倒反而像以前所知的机械波(比如声波)和光波的波动特性。我们已经知道，声波或光波通过小孔可以有绕弯传播的现象，称为“衍射”。电子衍射现象的发现是电子也具有波动性的有力证明。为此，汤姆孙和另一位发现电子衍射现象的美国科学家克林顿·约瑟夫·戴维孙共同获得1937年的诺贝尔物理奖。
    需要说明的是，在物理学发展史上，“电子具有波动性打首先是理论上的预言。1923年，法国物理学家德布罗意用类比方法作出如下的推论：既然光作为电磁波具有波动性，作为光子又具有粒子性；那么电子这样的实物粒子，除具有粒子性外，也应该具有波动性。一切物质粒子都具有波粒二象性，这就是著名的“物质波假设”，后来被戴维孙和汤姆孙等人的电子衍射实验证实。德布罗意获得了1929年诺贝尔物理奖。

电子波到底是什么?
    对电子波动性的解释，至今仍是物理学理论研究的课题。
    量子力学是这样解释的：电子波是一种“概率波”。从电子衍射图样上可以看出，电子的“弯曲”运动是有规律的，它在空阿的分布也足有规律的，否则屏上不会出现有规则的花样。经过理论研究和实验的证实，电予每时刻在空问分布的疏密程度受一种波动规律的支配，正像一个波概时刻各处强弱不同而且有规律一样。我们把支配电子波动性运动规律的这种波称为“概率波”。“概率”通俗的意义就是“可能性大小”。电子的“概率波”可以告诉我们电子某时位子空间某处的可能性大小。因此，“概率波”与声波、电磁波不同，它不是真实物质的一种波动，仅仅是对电子运动的可能性的描写。这使人感到有些不尽如意。
    现在，正在发展起来的量子场论，有了进一步的解释。任何物质存在都可以同时具有两种基本形态：粒子和场。正像光既是光子又是电磁场那样，电子既是粒子又是电子场。电子既不是过去理解的粒子(因为它具有波动性)，又不是过去理解的场(因为它可以“量子化”)。在某些场合，电子主要以粒子面目出现时，它表现有粒子性；在另外一些场合，电子主要以电子场面目出现时，它表现有波动性。
    电子到底是什么?虽然我们能从实验和理论的最新成果给以回答：它是一种十分复杂的物质形态。但这种描述还不能说是最终的答案。我们期待着对它有一个更符合实际的解释。

原作：李  忠 

http://www.wlsyw.com   整理：占礼葵　

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