新闻中电子的形状被第一次揭示,从物理小白角度理解这是怎么回事

底比斯沙尘暴 2025-02-09 21:00:48

最近在物理学方面有了一个新的进展,发表在“自然物理”杂志上,是MIT的物理学家研究的,关于电子的形状。

当然对于非专业,想要搞懂这是怎么回事,不是一件容易的事情。笔者也是这方面小白,但是既然看到了这个新闻放在大众面前,也就试着从小白大众的角度,理解一下。

首先要清楚,这个形状不是电子云的形状。比如氢原子外有一个电子运动,这个电子运动位置的分布叫电子云,直径大概0.1纳米。

但是电子有多大呢?如果把太阳到地球的距离当成半径作球,看成氢原子,那么电子本身不会超过一个网球那么大。

电子就是这么小,所以一般情况下,不考虑电子形状,而是当成一个点。

但是电子的确又是有形状的,而且这个形状不是固定的。做个类比,氢原子是有形状的,如果把原子核外的电子云看成它的形状的话,在不同的能量状态下,电子云形状是不同的,所以氢原子的形状是可以变化的。

同样,电子内部是有结构的,是能量蜷缩在这个微小空间内,形成的一个稳定结构。如果能量发生变化,稳定结构的形状也会发生变化。这应该就是弦理论所表达的,不过即使是电子这么小的东西,对于弦理论来说,应该也不是很基本的东西。

很重要的一点就是,电子的形状也会变化,即使它是如此之小。在不同的情况下,它的形状是不同的,这样就可以产生不同的用途。这就相当于在化学中,即使同样一种元素,在不同的温度条件下,化学性质会发生变化,因为它的外层电子的能级发生了变化。

注意,本文附图中的电子形状应该只是一个美工图,专业计算应该不会是这样奇怪的样子。

现在问题是怎么测量这个形状?新闻中用了ARPES这个术语。小白一点说,就是用光子撞击电子,把电子撞击出来后,看看它们跑出来的分布,这样就能够推测形状了。

当然这些光子应该都是平行的。想象一下,如果电子都是球形,或者都像是一块竖起的平板,那么水平撞过去后,这两种不同形状下,撞飞出去的方向肯定不同。这样通过精确计算就可以知道形状。

但是这里面存在一个问题。即使电子像一块平板一样是统一的形状,但如果它们是杂乱无章地聚在一起,那么光子撞上去后,电子们飞出去的方向也是杂乱无章的,你仍然无法知道它的形状。

所以要想办法让这些电子整齐地排好队,用了一种叫做kagome金属的,用光子去撞击这种金属里面的电子。那么这种金属中应该大部分电子都是同样形状,而且排成同一个方向。

kagome是戈薇的意思吗?看来物理学家也不缺动漫迷。

但是笔者还是有一点没搞懂。光子的能量必须非常大,因为光子的波长需要和电子大小差不多,波长小能量大。那么这么大的能量撞上去,电子是不是会发生形状变化?

新闻中笔者没看到有关说明,去看论文显然是看天书。所以不懂。

上面写的都是小白的想法,也是让小白看的。写错了什么,专业人士手下留情。

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