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  • 宏观世界五光十色?微观世界是否同样绚丽多彩?

    提问:电子是什么颜色的?

    回答:首先让我们来思考一下这个问题:“我们是如何感知颜色的?”我们的眼睛,在接受光线时,不仅仅可以感知光线的强度,还可以隐约地感知光的波长。我们几乎无法真正看见单色光;通常来说,我们看见的光其实是由不同波长的光混合在一起形成的。

    宏观世界五光十色?微观世界是否同样绚丽多彩?

    (照片:丹尼尔▪利尔-奥利瓦斯DANIEL LEAL-OLIVAS)

    我们的眼睛已经进化到可以感知某一特定的混合光,在这种混合光中不同波长光的比例是相似的,就像是自然阳光,是中性的或“白色”的。现在,如果你注视着一个可以反射或散射光的物体,并且这个物体以同样的方式将所有波长的光全部反射,那么你看到的这个物体就是“中性的”的。但你看到一个有颜色的物体,说明这个物体反射的某一波长的光比其他波长的光强烈,所以到达你眼睛的反射光是有不同波长成分的,因此你将其视为有色。

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    那么,电子又是怎样的呢?它们也会以同样的方式反射所有波长的光吗?好吧,这要看情况。如果它们是结合在原子或分子中,那么它们只能吸收或反射特定波长的光。事实上,你身边看到的物体大多数颜色都遵循这样的机制: 染色分子结合的电子散射特定波长的光。

    所以,这就意味着电子有颜色吗?不,因为相同的电子结合在不同的分子中可能产生不同的颜色,所以物体产生颜色不仅仅是因为电子。为了更好的解答这个问题,我们必须要将电子从原子或分子中释放出来,然后观察某一自由电子。

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    不幸的是,对于单个自由电子,你是无法观察到的,但是幸运的是你每天都有机会观察接近于自由的电子的大合集——通过看金属表面,例如,镜子。

    金属是由晶格中的原子组成的。然而大多数电子都和原子绑定在一起,它们中的某些电子(那些是在最外层的电子)可以在晶体中处于接近自由的游离状态。这些游离状态的电子对光的影响与自由电子对光的影响方式接近。比如你看镜子中,白光经过镜子反射后仍是白光—这就意味着电子是中性颜色。

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    啊,是的,你可能会问道,那黄金呢?它是黄色的,不是中性的。这并不意味着在黄金中的电子是“黄色”。黄金不是白色的原因归结于黄金中的电子仅仅是跟金原子结合但不是自由电子,一小片黄金中的自由电子可以像其他金属那样反射任意一种光的颜色。然而,黄金中的金原子可以吸收部分蓝光,所以受其影响,黄金几乎不反射蓝光,我们才看到黄金是黄色的。

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    相关知识延伸阅读

    电子是亚原子粒子,符号e−或者β−它的电荷表示为-1。电子属于轻子微粒家族的第一代,并且人们称它们为元粒子因为据我们所知电子没有其他成份或子结构。电子的质量大约是质子质量的1/1836电子的量子力学特性包括其半整数角动量(自旋)值,用约化普朗克常数ħ表示。作为费米子同时要满足泡利不相容原理,即不能有两个电子处于完全相同的状态。像所有的基本粒子一样,电子显示了粒子和波的特性:它们和其他粒子进行碰撞,并且可以向光一样进行衍射。在试验中电子的波动性与其他粒子(如中子和质子)相比来讲,更容易被观察到。因为当给定同样的能量时,电子的质量更低而且德布罗意波更长。

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    图解:克鲁克斯管实验可以显示出电子的粒子性质。如图所示,从左往右直线移动的电子束,遇到一个十字形标靶,从而在真空管右面底端显示出十字形阴影。

    电子在许多的物理现象中都扮演非常重要的角色,比如说电学、磁学、化学、热传导,不仅如此,电子还在引力,电磁力之间起着非常弱的作用。由于电子有电荷,所以电子有一个围绕着它的电场,并且如果电子在观察者面前做相对运动,就可以观察到电子做相对运动时会形成磁场。

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    图解:生于十八世纪,富兰克林对于电学贡献良多。

    根据洛伦兹力定律我们知道,由其他原因产生的磁场会影响电子运动方向。电子在加速时以光子的形式辐射或吸收能量。试验仪器可以通过电磁场方式收集单个电子和电子等离子体。某些专门的望远镜还可以探测到外层空间的电子等离子体。很多应用都涉及到电子,比如说电子工程、焊接、阴极射线管、电子显微镜、辐射疗法、激光、气体电离探测器、粒子加速器。

    参考资料

    1.WJ百科全书

    2.天文学名词

    3. Monkey- forbes

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