經常聽到“光電相互轉換”、“光子能產生電子”的說法，這些不準確的提法容易對公眾造成誤導，因此決定寫一篇文章進行澄清，希望對大家認識光子與電子有所幫助。

光子與電子都是極小的“東西”，我們能看見光，但看不見電子，這並不代表電子比光子更小，事實上電子是這個世界上目前已知第二小的粒子，比電子更小的是中微子。那麼光子呢？物理學中的光子它實際上只是能量的載體。

光子與電子的關係

是不是有點暈？本文就跟你講明白，光子與電子究竟是什麼。

電子的客觀存在

電子是一種基本物質粒子，它在原子核的外圍高速運行。到目前為止，科學家們都無法將電子打散，它被認為是不能分割的粒子。我們通常會將原子核想象成太陽，將圍繞著原子核運動的電子想象成圍繞太陽旋轉的行星，比如水星、地球或木星，但事實上並不如此。

太陽系的行星圍繞太陽作橢圓運動，電子可沒這麼老實

氫原子是世界上最小也是最簡單的原子，它的原子核就是一個質子，質子帶一個正電荷，圍繞著這個質子運行的只有一個帶負電荷的電子，電子由於靜電引力的作用圍繞著質子運動。即便如此，電子的運動軌跡也不是一個圓或橢圓。由於電子繞核運動的速度接近光速，當我們觀察這個電子時，它的運動軌跡更像是地球周圍的“大氣層”，電子會隨機出現在原子核周圍“大氣層”的任何一個點上，這些點形成一個“殼層”，我們稱之為電子雲。

氫原子的電子雲

對於擁有更多電子的複雜原子來說，它的每一個電子都會出現在自己的概率區，這是由每個電子各自的能級所決定的，物理上將這些概率區稱為電子軌道。按照泡利不相容原理，每個電子軌道最多隻能被兩個電子佔據，並且這兩個電子的自旋方向必須相反。

為什麼電子並不會像行星那樣老老實實地呆在自己的橢圓軌道里，而是圍繞著原子核“亂竄”？這是因為電子在運動過程中不斷地向外輻射能量，同時它也會從外部吸收能量。我們知道電子是有質量的粒子，儘管電子是輕子，它的質量極小，只有約0.511MeV/C²（約9.109×10⁻³¹千克），但當它以極高的速度圍繞原子核運動時，由於電場偏轉也會對外釋放出能量，這個能量以光子的形式向外發射。當電子的能量減少，它的軌道就會降低，角動量也將發生細微變化。反過來，當電子與外來光子發生碰撞時，光子會將自己的能量傳遞給電子，這將推高電子的軌道，因此電子會在自己基態軌道上不停地變化運行軌跡。如果電子獲得的能量足夠大，它會發生能級躍遷、跳到更高軌道，甚至脫離原子核的束縛變成一顆自由電子。

當我們給氫以不同能量，它的電子軌跡就會產生相應變化

光子的波粒二象性

對於量子物理學來說，光子實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，但它不是一個具體的粒子，這有點像“聲子”和“膠子”。目前普遍接受的物理理論暗示或假設光子是嚴格無質量的，這意味著不存在光子這個“東西”，所以光子的停止質量被定義為0。光子一產生就以光速在運動，它是能量，按照愛因斯坦相對論中質量與能量的關係，我們認為光子擁有“動質量”。

光子沒有靜止質量，電子有質量

如果光子不是嚴格無靜止質量的粒子，按照相對論，任何有質量的物體不會以真正的光速c運動。光子的速度將取決於它的頻率，肯定比光速更低。但相對論不會受到光子質量的影響，因為在相對論中所謂的光速c不是是光子移動的實際速度，而是一個自然常數，它是任何物體在理論上可以在時空中達到的速度上限。因此在相對論中，光速仍然是時空波紋（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量對於麥克斯韋方程和庫侖定律的影響更大，庫侖定律將被迫做出修改，許多我們熟知的物理學定律也將隨之進行修正。但到目前為止，光子靜止質量的問題還在科學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量是單個現象的兩個可觀察的方面，我們不能機械地描述它。也就是說我們不能說光的能量處於光波前的某些點，也不能在空間定位光量子。

鑑於光子的這些特性，我們明白了，不能將光子與電子相等同，光子不是電子，光子也不會憑空產生出電子。

那麼光電效應是怎麼回事？

難道太陽能電池裡的電子不是由光子產生的嗎？

光電效應不是憑空創造出電子

當光照射到任何材料表面時，它會將能量傳遞給目標，其中一部分能量會傳遞給電子。電子接收到光的能量會引發自己的動能變化，從而衝到更高的能級，如果電子吸收到的電子能量不足以使自己擺脫原子，它會釋放一個光子，然後回到自己原來的軌道上；而當最外層電子獲得足夠的能量，它會擺脫原子的束縛，變成自由電子。

由此我們可以看出，光電效應並不是光子產生了電子，而是電子接收到光的能量，從而使自己變成自由電子，當材料中的電勢積聚，就可以產生電流。

總結：

光由物質的運動產生，電子在其運動過程中由於軌道發生偏轉而對外釋放能量，原子核內部基本粒子在運動過程中也會對外釋放能量，這種能量的釋放大多表現為光的發射。

電子激發可以產生不同波長的光

光子由物質不斷產生，物質因為向外釋放能量而使其自身的質量產生變化。與此同時，物質也在不斷地吸收其同圍的光子，以平衡其質量虧損。

根據經典物理學的定義，光子沒有靜止質量，但光子在以光速運行的過程中擁有動質量，這個動質量是其本身能量的體現。

電子不會憑空產生也不會憑空消失，電子可能會衰變成伽馬射線光子和能量，但這個過程極其漫長，根據計算電子的平均壽命將高於6.6×10²⁸年，它也許會比宇宙的壽命更長久。當一個電子與一個正電子相遇，它們會發生湮滅，產生兩個或兩個以上伽馬射線光子和強大能量，這種情況在恆星內部經常發生，它是恆星中核聚變的中間過程。

綜上所述，電子與光子是兩種完全不同的東西，電子是物質的基本粒子，而光子更多地表現為能量的片段；電子在運動和湮滅過程中可以釋放光子，但光子並不能憑空產生電子，它只能給電子以能量，使其動能發生改變，甚至脫離原子變成自由電子。

關於光子與電子，你明白了嗎？