電子是如何變成光子的?

聊天選手九段


那麼問題來了,電子能不能變成光子呢?

電子當然可以變成光子,不過需要在特定條件下才能變成光子。通常將光子看作純能量的載體,電子變光子,實際上就是電子釋放能量的一種過程。

單獨一個電子是無法轉變為光子的。因為電子非常穩定、沒有半衰期,電子的壽命通常認為和宇宙的壽命一樣。電子被視作基本粒子,與夸克以一樣,科學家認為電子是不可再分的。夸克與電子都屬於費米子,世間萬物都是由它們構成的。

如圖所示,原子核中的質子和中子都是由三個夸克構成的。

電子轉變為光子,主要分兩種情況。一種是部分轉變,另一種是完全轉變。

下面來分別介紹一下:

部分轉變:電子躍遷

學過中學化學的都知道,電子在原子核外是按照一定規律分層排布的,電子在不同軌道上繞著原子核運轉,每個電子所具有的能量也不同。而電子之所以會繞著原子核運轉,是電磁力的作用,因為異性相吸。

原子受到外界能量的激發後,原子會由基態轉變為激發態,核外電子的能級也隨之升高。當電子從高能級掉到低能級時,就會向外界釋放能量,也就是向外界輻射光子或者說電磁波。電子這種能級變化的行為被稱之為電子躍遷。

如上圖所示,電子發生躍遷,並向外界輻射出光子。

電子通過這種方式釋放出光子,電子的能量雖然減少了,但電子還存在。

完全轉變:正反電子湮滅

核外電子帶負電,那麼電子有可能帶正電嗎?當然,帶電粒子都存在與其電性相反的反粒子。早在上世紀二三十年代,著名的物理學家狄拉克就預言了正電子的存在。隨後幾年,科學家通過實驗證實了宇宙射線中就存在正電子。不僅宇宙射線中有,原子核發生貝塔衰變時也會產生正電子。由反粒子構成的物質,我們稱之為反物質。正反物質相遇後會發生湮滅反應,百分百轉化為能量。

同理,當負電子與正電子相遇時,這一對電子會發生湮滅反應,並完全轉化為能量。這裡所說的能量其實就是光子,這就是電子完全轉化為光子的實例。

順帶提一下,不僅電子可以轉化為光子,而且還存在逆過程,光子在特定條件下也同樣能夠轉化為電子。

結語

通過上面的介紹,我們可以發現,電子必須要與其它物質發生相互作用或者能量交換,才會釋放出光子。單獨一個電子是不會轉化為光子的。


科學探索菌


電子是不可再分的基本粒子

“電子是不是能轉化成光子”這樣的問題,其實是要看條件的,如果僅僅是一個電子,要讓它轉化成光子基本上是不可能的事情。

按照上世紀50-70年基於狹義相對論和量子力學,建立起來了一套粒子物理標準模型理論。

這套理論把20世紀,甚至包括21世紀初發現的100多種粒子進行了分類,這種分類並不是大家想象中的那種隨意分分。而是基於非常深刻的物理學理論而建立起來的分類體系。在這個理論中把粒子分為兩個大類:費米子&玻色子。其中費米子認為是構成物質的最小單位,這裡就包括了夸克,電子,電子中微子,μ子,μ子中微子,τ子,τ子中微子以及他們的反粒子。

而玻色子實際上是用來傳遞相互作用的,膠子是束縛夸克的,而介子是用來把質子和中子束縛在原子核內的,(這裡補充一點,介子不屬於基本粒子),它們傳遞的是強相互作用。而衰變有關的相互作用是弱相互作用,是依靠W玻色子和Z玻色子來傳遞。而光子是用來傳遞電磁相互作用的。這些粒子都被稱為規範玻色子,還有一個賦予粒子質量的叫做希格斯玻色子。

這裡夸克一共有36個,輕子有12種,規範玻色子有12種,加上1個希格斯玻色子,一共是61種。

像質子或者中子這樣的粒子就沒有進入到粒子物理標準模型當中,這是因為他們是可以再分的。電子屬於輕子,是不可以再分的,按照目前的理論來說,電子沒有半衰期,它的壽命和宇宙的壽命應該是一樣的長。因此,想讓單個電子直接變成光子是沒辦法做到的。

正反電子湮滅

雖然單個電子無法做到,但還有一種辦法。宇宙誕生之初,溫度極其高,當時除了光子之外,沒有其他粒子。而光子是沒有自己的“反粒子”的,或者說自己是自己的反粒子。所以,早期的光子在極其高溫的環境下,獲得足夠高的能量,並且發生碰撞,是會產生物質粒子的,比如:電子。這主要看一對光子的能量是不是高於一對正反電子的能量,如果是,那就可以產生,多餘的能量會轉化為電子的動能。

不過,這個過程對於溫度要求極為苛刻,下表就列出了要生成各種物質粒子所需要能量。(這張表來自於弱電統一理論的提出者溫伯格的科普書《最初三分鐘》,講述的就是宇宙誕生之初,物質粒子產生的過程。)

所以,從這裡,我們就會發現,正反粒子對撞是可能會發生點什麼的。實際上,電子和它的反粒子正電子,如果對撞,就會發生湮滅,也就是全部轉化成了光子的形式散射掉了。因此,如果要實現電子到光子的過程,可以通過電子和正電子的湮滅實現。

當然,這並不是瞎猜的。1928年,狄拉克將量子力學和狹義相對論結合起來提出量子場論時,這方程中就有“正電子”的解。但這只是有理論而已。到了1932年,科學家卡爾·安德森讓宇宙射線通過雲室和鉛片,通過對軌跡和數據的分析,證實了正電子的存在。他也因為發現了正電子獲得了1936年諾貝爾物理學獎。後來,科學家實驗室裡用特高兩段的短距離激光轟擊1毫米厚度的金箔時,也能夠達到正電子,而且數量極為可觀。

躍遷

其實還有一種辦法根本不需要消滅掉電子也能得到光子,那就是躍遷

原子核外的電子其實可以通過吸收能量,躍遷到更高的能量;同時,它也可以通過釋放能量,躍遷到能量更低的能級。這種躍遷的過程就被我們稱為躍遷

而躍遷到低能量所釋放的能量通常是以電磁波(光子)的形式發出去。所以,電子由高能級向低能級躍遷的過程也能產生光子。

最後,我們來總結一下,單個電子並沒有辦法直接轉化成光子,如果是電子和它的反粒子正電子發生湮滅,那這對正反電子就會完全轉化為光子。除此之外,電子從高能級向低能級躍遷,也會釋放出能量,這些能量以電磁波(光子)釋放出來。


鍾銘聊科學


電子一般不會變成光子,光子一般也不會變成電子,原子的核外電子只是吸收周圍電磁波輻射能量,躍遷,釋放出來電磁能量與周圍環境的暗能量激發下,成為電磁波,並輻射出電磁波能量。我們的宇宙大部分的空間充斥著暗能量,無所不為,它控制者宇宙的秩序,萬有引力場,宇宙的均勻一致性表現就是2.73K微波背景輻射。實際也說明宇宙的均勻一致性,其實宇宙並不是在膨脹的。

但是我們的太陽系隨著銀河系中心的黑洞吸引力,導致最初在銀河系懸臂邊界的太陽系,逐漸進入銀河系中層區域,同時隨著進入銀河系中心靠攏,暗能量被大量銀河系天體阻擋,所以萬有引力場係數逐漸減弱,太陽系的行星距離逐漸遠離,太陽核聚變反應減弱,地球自轉變慢,都是因為無所不在的暗能量有關。我們的人類文明目前地球溫室加劇的今天,大量使用燃油車,無序能增大,而颱風不斷是暗能量的作用下,使得無序能轉化為的風能,溫度下降,但是總能量不變。想要徹底改變地球,人類需要新的物理學理論,凝聚態物理材料會帶給大家新的希望。


雲天32


簡單說,電子是電子,光子是光子,兩個完全不同的概念,兩者並不能相互轉化,電子並不能變成光子。同時電子和光子也是兩種不同的概念!

電子是微觀粒子,是有大小的,雖然電子很小,但確實是有尺寸的!而光子則有很大不同,光子(光量子)是電磁波的載體,本質上就是一種能量,而由於能量也是不連續的,是一份一份的,而光子就是可量化的最小的能量單位!

那麼電子和光子有什麼關係呢?

電子雖然不能變成光子,但卻與光子息息相關,並且如今我們接收到的絕大多數光都與電子有關。簡單說,電子的能級躍遷就可以產生光子!

如何理解?

我們都知道電子在原子核外面,但並沒有固定的軌道,與地球圍繞太陽系旋轉一點則不像!用量子力學的概念描述,只能用概率去理解電子的位置和速度!

不過電子存在於不同的能級,而且當電子在不同的能級之間發生躍遷時,就會釋放或者吸收能量,這種能量就以光子的形式表現出來!

當電子吸收光子,也就是吸收能量,就可能會躍遷至高能級,當已收到的能量達到一個臨界值,就會完全脫離原子核的束縛!而當電子躍遷至低能級,就會釋放出能量,也就是釋放出光子!而太陽發光的過程實際上就是電子的能級躍遷釋放出來的光子!


宇宙探索


首先,沒聽說過電子可以變成光子!

其次,光子特別是頻率單一且攜帶與頻率成正比的動能的光子是不可能存在的!

再者,電子是攜帶質量、負電荷和自旋磁矩的實體粒子,可以產生萬有引場和電磁場。因此,要說電子可以產生光子(如果光子真的存在的話)到說得過去!

總之,電子不可能變成光子。否則,既破壞質量守恆,又破壞電荷守恆,還破壞動量和能量守恆定律!

有興趣進一步瞭解光到底是什麼,以及由於對光的認識錯誤導致近代物理出現系統性錯誤的根源的朋友,歡迎參與本人以下文章的討論!


彭曉韜


沒研究過,難以言表,借火給你試試湮滅反應。

通過科普著作,電子+反電子接觸會湮滅反應,讓電子、反電子轉化成光子與其它東西。

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物理學之維度空間


電子是不能變成光子的,但運動的電子的動能是可以轉化成光能的。

眾所周知,電子的周圍空間存在著電場,電場是特殊的物質。電子在運動或者振動時,電子就帶動它周圍的電場運動或者振動。

運動變化的電場在周圍空間產生變化的磁場,變化的磁場在更遠處又產生變化的電場,變化的電場又在更遠處產生變化的磁場……,這樣運動變化的電磁場傳到遠處就是我們所看到的光。

這樣,電子在運動或者振動時的動能就轉換成了特殊物質電場和磁場的運動,電場和磁場的運動而具有的能就叫做光能。

由此可見,電子是物質,光是能量。物質和能量是兩個不同的概念,不能混為一談。

光子是人們為了研究量子力學的方便,虛擬和假設出的一種質量為零的粒子,即是物質又是能量,實際並不存在光子。但在研究量子力學時起到了很重要的作用。


mcz107436431


光是電磁波不是光子,電子不能變成光子,電子可以產生電磁波,電子的變速運動,可以產生變化的電場,引發交替變化電磁場而發光。熱發光是分子布朗運動,電子繞核旋轉位移,引起磁場變化產生電磁波。真空中高速電子碰撞金屬屏表面,電子速度突變發出X射線。電子變速運動產生光。


cx1944


關於光,我寫過專題文章,後來又刪了。

我簡單說說。

電子不能變成光子!

核外電(子)吸收能量躍遷到高能級亞穩態,再躍遷到低能級的過程中,電(子)波解散,釋放出能量E=E₂-E₁=hν,激發出一個變化的電場,它再激發出一個變化的磁場,成為向前移動的電磁波,就是光波。如果要把它看成是一個一個的也行,那就稱為光(子)。

至於一對正負電子對湮滅成一對γ光子,我就不知道了,我不喜歡(不相信)反物質。


袁燦倫


當電孑運動突然剎車,會有1%的電子能量產生光孑輻射,稱制動輻射。

如運動電子遇金屬放出X射線。再如微波中的磁控管產生微波,也是電孑輻射出微波光子。

這都是電孑產生光子的例子,但電子本身並沒有變成光子,除非遇到正電孑,兩者湮滅變成光子。


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