03.06 电子是粒子还是波?

北方红狐


电子具有波粒二象性。

1897年,汤姆孙首次实验证实电子的存在,确认为一种微观粒子。随后根据德布罗意的提出的物质波理论,电子具有波粒二象性的,具有粒子性和波动性。

1897年,JJ汤姆孙通过阴极射线管实验,首先确实了电子的存在,他认为电子是一种粒子,并测定了电子的电荷与质量,该项工作获得了1906年的诺贝尔物理学奖。

德布罗意1923至1924年发表几篇论文,提出了所有物质粒子都具有波粒二象性的假设。在博士论文答辩中,当答辩委员佩林提问:这些波动性如何用实验证实呢?德布罗意的答案是:可以利用晶体对电子的衍射实验来证明波动性。

很快,在1925年,戴维孙和革末就通过电子在镍晶体中的散射实验证明了电子的波动性,验证了德布罗意物质波理论的正确性。同时JJ汤姆孙的儿子GP汤姆孙也采用独立实验证明了电子的波动性。戴维孙和GP汤姆孙等通过电子在晶体中的衍射现象而共同获得了1937年的诺贝尔物理学奖。

有趣的是,JJ汤姆孙因为电子的粒子性获得1906年获奖,他的儿子GP汤姆孙因为发现电子的波动性也获得了1937年的诺奖。现在量子力学认为,电子具有波粒二象性,其粒子性和波动性是互补的。

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量子实验室


琢磨到这一层的在深一点就是科学家级别的了,到了科学家这个级别就要懂规矩。就拿一般发电机的结构来比划吧:磁场好像我们看不到,电子好像我们也看不到,波好像我们也看不到,粒子好像我们也看不到,仿佛我们的思维好像能看到磁场、电子、波、粒子,一般需要眼见为实,一般需要实验、复验。磁场经过线圈切割,磁场和线圈的空间挤满了“磁场”,线圈的“切割”运动,是把磁场不规则的惯性运动状态,调整为规矩、有秩序、有方向性的运动空间,那么电子是“波运动”还是“粒子运动”,在这里我们不能公开的反对地说电子是波,电子是粒子,这是在“造反”。切割后的磁场具有了能量,切割后的磁场具有了物质运动,切割后的磁场具有了“光束”,我们可以截面一束光束,发现电子光束里的光子比太阳一束光子还要多,太阳一束截面的光子大约50个左右,写到这里已经进入我核心机密不能再深入了。电子是波?是粒子?你自己判断吧!在这里可以提示一下:我们看到灯泡发出的光是什么?


聊天选手九段


电现象是一种很早就被人们发现的自然现象,比如生物电现象等。

最初人们认为电是一种流体,就好比人们早期有热质说,把热想象为是热质的流体。

根据原子论,很自然地人们会设想电也是一种原子,即存在携带电的最小单元。

法拉第电解定律可以看做是电的原子学说的一个证据。在电解定律中阴极、阳极产生物质的量与通过电路的总电量是成比例的,这提示我们化学反应伴随着带电粒子的转移。

为了解释金属的导电现象(欧姆定律),洛伦兹等提出了经典电子论,即认为导体中存在大量叫电子的带电单元,这些带电单元在电场的驱动下做加速运动,然后会与金属中的障碍物(阳离子)发生碰撞,最终完全失去碰撞前粒子所具有的运动状态的信息,在这个物理图像下,洛伦兹等可以解释金属的欧姆定律。

洛伦兹(1853-1928)

注意,在洛伦兹等的经典电子论里,电子就已经是作为粒子存在的了,因为这个电子具有质量,在电场中被加速并按牛顿定律做加速运动。

紧接着发生了两个重要的实验,使人们彻底接受电子是一种粒子。一个实验是汤姆逊的电子偏转实验,汤姆逊用磁场和电场使阴极射线发生偏转,并断定阴极射线是一种带负电的粒子,并测量出其荷质比(电荷与质量的比值)。

几乎与此同时,塞曼测量了金属在磁场中光谱线的分裂,洛伦兹立刻基于自己的经典电子论解释了塞曼的实验,并计算出了金属中电子的荷质比,然后发现这个数字与汤姆逊实验中所测出的数字一致。

这两个实验是完全不同的实验,但基于相同的物理图像得到了相同的荷质比,这促使物理学家相信电子确实是一种粒子。

根据原子论,物质是由原子构成的,如果说电子是构成原子的一个要素的话,那么说明原子中还有带正电的部分。

卢瑟福散射实验示意。

卢瑟福散射实验说明原子中的正电部分是集中分布的,我们称其为原子核。现在电子就在空旷的原子里运动,那么它是如何运动的呢?

根据经典力学,电子可以围绕原子核做圆周运动,但由于电磁相互作用太强了,电子在围绕原子核运动的同时会放出电磁波,能量会很快损失掉,这造成原子是不稳定的,寿命只有10的-10次方秒。

但事实上原子是相当稳定的,比如我们的身体里面有大量氢原子,这些氢原子是非常稳定的,那么如何解释原子的稳定性呢?

德布罗意提出了一种想法,既然电磁波(光)可以是粒子,那么为什么电子(粒子)不能是一种波呢?他管这种波叫物质波,物质波的波长等于普朗克常数除以动量。

既然电子是波,它就要满足一个波动方程,而非牛顿定律,这个波动方程后来被薛定谔找到了,就是所谓薛定谔方程。

在量子力学中电子是粒子(因为它是点),但它却由一个波函数描述,波函数的运动必须满足薛定谔方程,及特定的边界条件(边界条件由物理问题本身给定),这样氢原子的稳定性问题就解决了。

氢原子的一个波函数ψ431,可以想象为在三维空间中分布的“波函数的驻波”。

电子的运动由波函数描述这一断言后来被“戴维逊-革末实验”所证实,这也是现在电子显微镜的物理学基础。

那么电子是粒子?还是波呢?

我的答案是电子是一种粒子,但它是由波函数描述的,波函数随时间的变化遵循薛定谔方程,波函数的模方满足玻恩的统计解释,即波函数绝对值的平方正比于发现粒子的几率。


物理思维


电子有质量、有电荷,电子是粒子这个没有疑问。宇宙中的几乎所有物质都有电子,假如电子不是粒子这个世界就是虚幻的了,没有了实体。电子是波和其性质有点像波是另一回事情,就像男人有时候表现出像女人的一面,你就说男人就是女人吗?也不能说男人既是男人也是女人。

所以电子是粒子,明确无误。现在的量子力学理论是建立在物质波的基础上的,电子运动的状态可以用物质波的函数来接近描述,注意是接近描述,不是完全是的意思,就是是模拟的。为什么要模拟呢?因为人类还不知道电子的本质是什么,电荷从哪里来?还有自旋角动量到底是怎么回事?本质是什么。考虑到真空不空,电子在空间运动可能受到以太的影响,表现出波的性质。

所以对于电子从其实体上说它是粒子,它的运动性质在量子世界里可以用波来描述,而不是真的变成了波。


维度开拓者


一,波粒二象性是孤体运动的共性。

如果我是一个中微子,会觉得电子太大、太重、太迟钝,好比一个地球。波粒二象性,虽是光量子妥协的产物,但万幸的是,它一语道破了物质运动的天机。

孤体是粒子与天体的统称。粒子是费米子与玻色子的统称,费米子更偏粒性,玻色子更偏波性。天体是太空中的自由粒子、宇宙尘埃、大小行星、各种恒星、星系、星系团的统称。自由粒子,如自由电子、自由质子。

任何孤体,既有自旋,又有绕转。孤体自旋的意义在于:构造孤体粒子性的本体形式,体现“粒子性”。孤体绕转的意义在于:维持孤体运动应该占有的空间,体现“波动性”。


任何孤体,既有粒子性,又有波动性。一切孤体皆有波粒二象性。例如,地球/电子既有以自我为中心的自转,又有以太阳/原子核为中心的绕转。

二,孤体为什么会自旋?

任何系统的自然运动,都是因为“空间环境的局域物质分布不均衡分布”所造成,而从全局看其分布是一种不稳定平衡,因而我们看到所有天体与粒子,都会漂浮在空中。

小行星也会自旋,虽然有的形如长土豆,但它会以最省事的长轴自旋,这是“上善若水”的自然选择。

电子的自旋,也是同样机制。因为原子核周围的空间暗物质分布不均衡所导致。

可以认为,物质在空间的“局域分布不均衡”,就是物质运动的——“宇宙第一推动力”,或“宇宙第一大法则”。

三,孤体为什么会绕转?

任何孤体,不可能在原地打转转。因为总存在其两侧的能流密度不一致,使得孤体一直在偏离原地,进而形成所谓的绕转。由于沿着测地线运动是最懒惰、最省事、最概率的旋转,因此,绕转轨道,最大可能是螺线轨迹,但可近似为一个大圆圈或椭圆圈。


四,孤体为什么会波动?

正是由于不均衡,孤体在绕转(三维曲线)的同时,还会按测地线平移(局部一维,全局二维),构成一个局部四维的运动轨迹,可以简化成一道正弦波。

五,质量与波速成反比。

核外电子绕轨波动速度,或线速度,大约是2200km/s。地球的绕日速度,计算公式很简单,请自行解决。显然,孤体的粒子性与波动性成反变关系。波速太快了,粒子就会软化,就会打开自己,就会降频降维。

结论:任何孤体皆有波粒二象性。费米子是一类孤体,更偏向“粒子性”,电子是一种费米子,其粒子性,强于其波动性。


物理新视野


电子没有体积与质量。

电子是金属态氢离子的“磁力矩”。我们不能用“经典力学”理解“量子力学”的概念。

磁场里光速流动的物质转化为金属态氢离子,金属态氢离子的“磁力矩”相互切割聚合形成新元素的同时伴生电磁波——能量。

电磁波的传播离不开金属态氢离子“磁力矩”的共振,具有波粒二象性。



金童希瑞


人类的惯性就是一切都是实体的,实体的概念是从我们以往的经验而来,可以触摸,有颜色等等。其实原子一下都不是实体。

这是我们认识的惯性造成的,为什么光子电子可以双缝通过,常识告诉我们这是不可能的,所以就有了波粒二象性,电子光子既可以是粒子,也可以是场。波粒二象性就显示出来了。

其实任何物质在其内部及其周围都有场分布,这个场在实体由内到外,逐步稀薄。这个场就是物质的时空基本态,时空结构单元,场可以形成粒子,粒子也可以形成场。

题目的提法是问题,电子是粒子也是场,波是运动状态。时空基本态没有质量没有能量,但是可以生成粒子。这个时空基本态可以推算出波函数。时空显隐不同,隐性的以复数i表示。时空不会同时显隐,这是测不准原理的由来。

时空结构还有组合问题。不再提。


迦祥时空


这个问题是量子力学的入门级问题。我要先说明,在经典物理里的粒子和波与量子物理里的粒子与波完全不一样。经典物理里的粒子,一般等同于质点;波就是大量粒子振动(oscillation)的集体行为。换言之,经典力学里的粒子和波是两码事儿。但是到了量子力学,情况不一样。粒子和波是统一的,或者说成是一个客体的两个不同表示(representation)。所以,电子既是波又是粒子。我们不能够用经典力学的观点去看量子力学,或者说不能用经典力学的思想方法去研究诸如电子(electron)、光子(photon)、质子(proton)等等粒子。

现在我谈一谈,为什么电子既是波又是粒子。如果说电子是波,就一定有波方程;如果是电子是粒子,就一定有描写粒子的方程,也就是哈密顿力学里的正则方程。对于经典力学,两套方程完全无关,也就是说,无论怎么改写波方程都得不到正则方程,反之亦然。而量子力学里,这两套方程完全等价。我们把建立在波方程之上的量子力学图像叫做薛定谔图像(或者绘景);把建筑在正则方程之上的量子力学图像叫做海森伯格图像(绘景)。在量子场论里还有一种思路,就是各退一步,即既有波方程,又有正则方程,这就是相互作用绘景。三种绘景完全等价。也就是说,描写电子,可以完全只考虑它的粒子性,也可以完全考虑波动性,甚至可以一半一半儿,既考虑波动性也考虑粒子性。这种等价性,就说明粒子等于波。

而事实上,量子力学里的粒子,仅仅是借鉴经典力学的说法,为的是表述方便。为什么这么说呢。一方面是接受问题。我们是从经典物理学起的,然后学量子力学。这就导致,经典力学的概念早已根深蒂固,同时我们也不能完全撇开经典概念,这就造成会有粒子还是波的疑惑。另一方面,确实是因为把电子说成粒子比说成波有更多的方便。说成是粒子,我们可以不假思索地把质量、动量等等力学量搬过来加以使用;而说电子是波,那就得重新定义这些量。


科学联盟


又一个学习的机会,谢谢各位高手!

在这里嘚嘚一下自己的观点,如有错误请高手指正。

一、如果将电子看成一个点,波、粒只是轨迹,是不是观察的方法不同看到的效果不同,或者方法相同而所谓时间差出现了丢帧或延时?

二,是不是波、粒轨迹就像看这张图片想顺时针就顺,想逆时针就逆(通过观察脚后跟)。意识主导有时未必是真的!


嘚嘚完了


72005326


电子是粒子,阴极射线管中就是电子束流,


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