電子,這個東西感覺上離我們的生活很遠,可實際上卻是無處不在。
一部手機、一塊石頭、一粒塵埃,乃至我們自己的身體之中都有着數不清的電子,那麼電子到底是什麼呢?它又是由什麼所構成的呢?自從人類有了思想,就立志要追尋事物的本源,而要追尋事物的本源,首先就必須要弄明白物質到底是由什麼所構成的。在自然科學沒有誕生的歲月裡,人們隻能從哲學的角度去思考這一問題,于是有人将水視為萬物的本源,有人将火視為萬物的本源。這些古代先賢的思考還真不能算是錯的,因為從自然科學的角度來看,的确是萬物同源,水也好、火也罷,又或者是山石、空氣,從微觀層面來看,它們的本質都是相同的。
什麼是物質的本質?
大多數的物質都是由一個個分子所組成的,比如水就是有水分子所組成,而水分子之間的排列方式又會導緻水呈現出不同的形态,比如當水分子通過氫鍵形成定向有序的排列方式時,水就變成了冰。水分子很小,大概隻有0.4納米,比病毒還要小幾百倍,乃至上千倍,所以用肉眼是根本無法看到的,不過水分子并不是物質的最小形态,它是由原子結合而成的,兩個氫原子和一個氧原子。相比分子而言,原子的個頭就更小了,通常還不到0.1納米,但就是這麼小的東西,卻依舊不是構成物質的最小單位。
随着科學觀測技術的發展,人們發現原子是由兩部分組成的,即原子核與核外電子。
對于一個原子而言,電子是極為重要的,如果原子失去了電子,那麼将會變為一種很不穩定的離子态物質,我們日常所使用的锂電池的充電和放電過程實際上就是锂原子失去電子後變為锂離子,之後再與電子合并恢複為锂原子的過程。在充電的時候,受到外接電源的刺激,锂電池正極材料中的锂原子會分解為锂離子和電子,分解之後,锂離子可以直接透過電池内部正負極間的隔膜前往負極,而電子則通過外電路前往負極,之後在負極相遇重新結合為锂原子。
同樣,放電的時候,锂原子會再次分解為锂離子和電子,锂離子還是從隔膜回到正極,而電子則通過外電路回歸正極,中途經過用電器為其提供電能。
一個完整的原子包括原子核與核外電子,那麼這兩個東西還能繼續分割嗎?原子核是可以的,在原子核的内部存在着兩個東西,一個是質子,一個是中子。質子的數量決定着元素的種類,比如擁有一個質子的就是氫元素,擁有兩個質子的就是氦元素。而中子數決定了不同的同位素,比如擁有一個質子和一個中子的就是氫的同位素氘,而擁有一個質子和兩個中子的就是氫的同位素氚。不同的質子和中子數量決定着不同的元素,那麼質子和中子還可以繼續分割嗎?
為了看看質子和中子裡面有什麼,人類用上了粒子對撞機,不過即便如此,也未能将它們撞開,但這并不是說質子和中子裡面什麼也沒有。
因為在撞擊的時候,人們發現質子擁有三個不同的散射角度,也就是說質子内部還擁有三個粒子,并将它們命名為誇克。人類從來沒有成功将質子分解開來,因為使誇克結合在一起的力是強力,它不像電磁力那樣距離越遠力量越小,而是距離越遠力量越大,所以根本沒有辦法将三個誇克拉開,而誇克也被定義為基本粒子,也就是組成物質的最小結構。迄今為止,人類已經發現了很多基本粒子,組成質子的誇克以及原子核外的電子都是其中的一員。
是的,與誇克一樣,電子也是基本粒子,是構成物質的最小單位,是不可以再分的,所以沒有辦法解釋電子是由什麼構成的,因為它自己就已經是物質的最小單位了。
基本粒子的種類雖然很多,但可以劃分為兩類,一類是費米子,另一類是玻色子。它們都是物質的最小單位,但所扮演的角色不同。費米子物質結構的最小單位,而玻色子則是傳遞相互作用的媒介,比如使三個誇克緊密結合的強力就是通過膠子這種玻色子實現傳遞的,如果說費米子是磚塊,那麼玻色子就是水泥。顯然,電子和誇克都屬于費米子,而膠子、光子等都屬于玻色子。
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