電子的構(gòu)成

電子作為標(biāo)準(zhǔn)模型的基本粒子，以現(xiàn)在的研究水平并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)電子的下層結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)電子不可再分。但考慮電子與光子的關(guān)系，猜測(cè)電子與光子有相同的本質(zhì)。但電子并不是沒(méi)有大小沒(méi)有形狀的點(diǎn)。

電子的形狀

與之前的預(yù)言相反，根據(jù)最新的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)電子的形狀似乎是近乎完美的球形。

電子的形狀曾被認(rèn)為是包圍著一個(gè)無(wú)尺寸的點(diǎn)的虛擬粒子的云?？茖W(xué)家們預(yù)測(cè)，由于此云的正負(fù)兩極拉動(dòng)，云將略微呈非球面形狀。

但是2011年，倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的物理學(xué)家喬尼·哈德森和他的同事們對(duì)電子的形狀進(jìn)進(jìn)行了前所未有的細(xì)節(jié)分析，他們發(fā)現(xiàn)電子是可以測(cè)量的完美球體，而且測(cè)量精度達(dá)百萬(wàn)分之的百萬(wàn)分之的十億分之一厘米（6 6 9=21個(gè)零），也就是說(shuō)如果我們將電子擴(kuò)大到太陽(yáng)系的大小，那么這幫科學(xué)家測(cè)量出的電子的形狀的偏差小于人發(fā)的直徑！

上圖：測(cè)量電子精細(xì)形狀的設(shè)備。

電子的運(yùn)動(dòng)和速度

這個(gè)得分具體情況了——

• 繞原子核的電子并非是我們被某些文章科普的那樣認(rèn)為的是以圓周運(yùn)動(dòng)，而實(shí)際上是符合量子不確定性的和特定的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律的。也就是說(shuō)電子并非在原子核周?chē)目臻g中連續(xù)地“飛行”，而是像量子一樣以離散的方式出現(xiàn)在其軌道上的某個(gè)隨機(jī)位置，從一個(gè)地方消失然后從軌道上另一個(gè)隨機(jī)的地方出現(xiàn)，并且出現(xiàn)在某個(gè)位置的幾率符合波函數(shù)的幾率。
  此外，核外電子的軌道也并不是一個(gè)環(huán)，而是更像是“層”，單個(gè)原子不同的軌道層（專(zhuān)業(yè)名詞稱為“殼層”）的形狀差別非常大。殼層不都是球形的，而且殼層還可能包含多個(gè)子殼層，子殼層又包含多個(gè)軌道。根據(jù)殼層能級(jí)不同以及與核電荷以及不同殼層之間的電交互作用，殼層形狀可以通過(guò)波函數(shù)以概率的方式給出。殼層之間是相互交疊的。

上圖：氫電子殼層的形狀，因?yàn)闅渲挥幸粋€(gè)電子，但這并不意味著氫只有一個(gè)能級(jí)。當(dāng)有外部能量注入，氫原子唯一的那個(gè)電子可以躍遷到不同的殼層，而不同的殼層形狀不同。殼層上那個(gè)唯一的電子出現(xiàn)的幾率由右上角的波函數(shù)給出。

所以核外電子實(shí)際上就是在不同的殼層上以量子規(guī)律和電磁力的規(guī)律隨機(jī)地以特定的幾率出現(xiàn)和消失——當(dāng)然，這可以被稱為一種運(yùn)動(dòng)。

• 當(dāng)多個(gè)原子結(jié)合形成分子的時(shí)候，不同原子的最外層殼層會(huì)相互融和，這種連接被稱為“價(jià)鍵”。這個(gè)時(shí)候原子外的電子，尤其是最外層的電子的運(yùn)動(dòng)就會(huì)受到多個(gè)原子之間電荷作用，形成一種新的概率分布。但這種分布要用波函數(shù)表達(dá)就顯得非常復(fù)雜了。上圖：不同的化合物以不同的價(jià)鍵連接，形成不同的電子云形態(tài)。

1. 非極性共價(jià)鍵
2. 極性共價(jià)鍵
3. 離子鍵

• 金屬導(dǎo)體中的電子，主要是最外層的自由電子，可以在金屬的晶格中自由運(yùn)動(dòng)。當(dāng)金屬晶體兩端存在電壓差的時(shí)候，這些自由電子就會(huì)超一致的方向運(yùn)動(dòng)，形成電流。上圖：金屬中的自由電子在不通電和通電的情況下的運(yùn)動(dòng)差異。

• 當(dāng)真空中存在高電壓差，電子可以被射出到真空之中，形成電子束。電子在真空中的運(yùn)動(dòng)是符合波函數(shù)所給出的概率的，電子可以像波一樣形成干涉條紋。
  上圖：電子干涉形成的干涉條紋，說(shuō)明了電子也是一種波。單個(gè)電子也能干涉更說(shuō)明了電子的位置是符合量子力學(xué)的波函數(shù)而非經(jīng)典的動(dòng)力學(xué)。

電子的運(yùn)動(dòng)速度

在導(dǎo)體中，電信號(hào)或能量能夠以電磁波的形式傳播，其速度通常約為光速的50％–99％，而電子本身的移動(dòng)速度要慢得多，實(shí)際上導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)速度大約為每秒幾毫米。電子上承載的信息和能量的傳播與電子本身的傳播不是一回事情。這個(gè)跟聲音的傳播跟空氣的運(yùn)動(dòng)不是一回事一樣。

電子的運(yùn)動(dòng)速度總是接近光速的說(shuō)法是不準(zhǔn)確的。

電子的速度范圍很廣。例如：

• 對(duì)于半徑為1mm的銅線，其穩(wěn)定電流為10A，電子的移動(dòng)速度僅為約0.024cm/s。
  

• 氫原子核周?chē)碾娮拥倪\(yùn)動(dòng)速度大約為200萬(wàn)米/秒。
  

• 某些放射性物質(zhì)發(fā)射的β粒子，原子序數(shù)較大的元素（如鈾）的最內(nèi)層電子，其運(yùn)動(dòng)接近光速。
  

總結(jié)

電子并不像你想的那樣簡(jiǎn)單。