如果說第一次工業革命的動力是煤和石油這樣的化工燃料，那麼第二次工業革命就是電力的應用了。如今，我們的社會進入到了移動互聯網時代，生活更是離不開手機。而這一切的背後都來自電子的舞步。本文老郭就來帶著大家一探電子的奧秘。
一、發現電子
雖然我們無法直接看到電子，但是我們能看到電子的行為是如何對我們的生產生活造成的影響。當然了，首先你得相信電子真的存在。今天的人們當然會覺得電子的存在是天經地義的，它是組成宏觀世界的原子的基本組成粒子之一，這個概念很簡單，而且聽起來很有道理的樣子，我們或者是從小就聽人這麼說過，或者是在中學就學習過。
但是如果我們穿越回到過去，你會發現，直到1897年，約瑟夫·約翰·湯姆遜根據放電管中的陰極射線在電磁場和磁場作用下的軌跡確定陰極射線中的粒子帶負電，並測出其荷質比，才是人類歷史上第一次真正地發現電子。
二、對電子的響應
電子的發現打破了科學界長久以來認為原子不可再分的思想，湯姆遜也因此建立了科學歷史上第一個原子模型——棗糕模型。當然了這個原子結構模型是錯誤的。
12年後，即1909年，美國物理學家羅伯特·安德魯·密立根用油滴實驗測出了電子的電荷。同年，在物理學家歐內斯特·盧瑟福用氦離子轟擊金箔。發現有很小一部分離子的偏轉角度遠遠大於使用湯姆生假設所預測值。
盧瑟福根據金鉑實驗的結果指出：原子中大部分質量和正電荷都集中在位於原子中心的原子核當中，電子則像行星圍繞太陽一樣圍繞著原子核。帶正電的氦離子在穿越原子核附近時，就會被大角度的反射。這就是原子核的核式結構。
三、電子的粒子性
電子像“小球”一樣能夠輕易地發生移動。冬天的時候，我穿上厚厚的衣服，踏著雪地走到我的車旁，每一次我都是戰戰兢兢地用手打開車門，幾乎每次我的手都會隨著啪的一聲，傳來一陣刺痛。這是因為車上的電子被我身上帶著的正電荷吸引過來，撞擊到我的手指上。
這些電子迅速沿著我的身體快速運動，附著到我皮膚上的神經末梢纖維膜上的帶正電的鈉離子受到這些負電荷的影響，產生了運動。神經末梢纖維末梢的鈉離子的運動又影響了它附近的鈉離子的運動，鈉離子的波動，傳遞到我的大腦，我就感受到了這次外來電子的移動——釋放靜電。
學過經典力學的朋友都知道，運動的物體具有動能，電子的運動同樣有動能。我們家裡的電爐子就是這個原理。當我們接通電源並按下開關的一瞬間，就在電爐子的電阻絲兩端產生一個電壓。電阻絲中的電子，就像流蕩的河水突然遇到了斷崖形成的瀑布，瘋狂地開始跳躍。
跳躍的電子攜帶著動能，撞擊著沿途路過的原子，把自身的動能傳遞給原子，原子的振動速度迅速提高。我們就能看到電爐子的溫度開始增加。數以億萬的電子的跳躍，就把電場的能量通過撞擊變成了熱能。
如此看上去，電子雖然小，但是與我們的宏觀物體有類似的行為，或者直接說就是具有粒子性。這也是很多早期物理學家的觀點。
四、電子的波動性
我們可能以為，電子的波動性不像粒子性那樣常見，我們平時都看不到電子的波動性行為。其實這是錯誤的。如果你認真地觀察過我們所有的光源，就會發現，不同種類的光源，其發出來的光的顏色都不一樣。
從火把、煤油燈、白熾燈、日光燈，LED燈，太陽甚至遙遠的恆星，每一種光源都有其特定的顏色，用科學術語說就是光譜。而不同的光譜，正是由於電子的特殊行為導致的。對於發光行為的研究也揭開了電子的這種行為——波動性。
前面我們提到了1909年盧瑟福用阿發粒子轟擊金箔發現了原子核結構。1911年，他在此基礎上提出了自己的原子模型，即行星模型。行星模型認為，原子是由質量很大（幾乎是全部質量）的原子核和圍繞原子核運動的電子構成。
然而，這個模型遇到了困難，因為在電場內做高速運動的電子要向外發出輻射，也就是電磁波。早在1895年無線電報就已經被髮明出來，就是利用電場加速電子運動釋放電磁波的原理來實現發報的。行星模型，與已知的電子在電場中的行為相矛盾。
19世紀末，瑞士數學教師巴耳末將氫原子的譜線表示成巴耳末公式，瑞典物理學家裡德伯總結出更為普遍的光譜線公式裡德伯公式。20世紀初期，德國物理學家普朗克為解釋黑體輻射現象，提出了量子理論，揭開了量子物理學的序幕。
1913年2月4日前後的某一天，玻爾的同事漢森拜訪他，提到了1885年瑞士數學教師巴耳末的工作以及巴耳末公式，玻爾頓時受到啟發。1913年7月、9月、11月，經由盧瑟福推薦，《哲學雜誌》接連刊載了玻爾的三篇論文，標誌著玻爾模型正式提出。
玻爾模型指出：電子在一些特定的可能軌道上繞核作圓周運動，離核愈遠能量愈高；可能的軌道由電子的角動量必須是 h/2π的整數倍決定；當電子在這些可能的軌道上運動時原子不發射也不吸收能量，只有當電子從一個軌道躍遷到另一個軌道時原子才發射或吸收能量，而且發射或吸收的輻射是單頻的，輻射的頻率和能量之間關係由 E=hν給出。
玻爾的理論成功地說明了原子的穩定性和氫原子光譜線規律，但在解釋比氫原子更復雜的原子譜線規律上遇到了困難。
1924年，法國物理學家德布羅意在光具有波粒二象性的啟發下，提出一個假說，指出波粒二象性不只是光子才有，一切微觀粒子，包括電子和質子、中子，都有波粒二象性。
他把光子的動量與波長的關係式p=h/λ推廣到一切微觀粒子上，指出：具有質量m 和速度v 的運動粒子也具有波動性，這種波的波長等於普朗克恆量h跟粒子動量mv 的比，即λ= h/（mv）。這個關係式後來就叫做德布羅意公式。
1927年，克林頓·戴維森與雷斯特·革末在貝爾實驗室將電子射向鎳結晶 ，發現其衍射圖譜和布拉格定律（這原是用於X射線的）預測的一樣。這個實驗就證明了電子有波的性質，肯定了波粒二象性的學說。
五、電子自旋
隨著科學家們對電子、質子、原子等微觀粒子行為的瞭解，一門科學迅速成長起來，這就是波動力學，也叫做量子力學。由於發現了粒子的波動性，所以現在粒子的行為可以用波動方程來解決，這就是薛定諤方程。
在解薛定諤方程的過程中，由於核外電子運動狀態的變化是量子化的，所以引出了主量子數n、角量子數l、磁量子數m，而科學家們很快發現，三個量子數並不能完全描述原子內電子的行為。按照當時量子力學對原子能級的詮釋，角動量J在磁場方向上一共有2j+1種情況，也就是原子光譜會分裂成奇數種可能。
有兩個實驗與此相悖：
1、斯特恩-蓋拉赫實驗：1920年，奧托·斯特恩和瓦爾特·格拉赫發現，銀原子蒸汽通過兩條細縫後，經過一個真空的不均勻磁場，最後在底片上形成兩條黑斑。
2、反常塞曼效應：在弱磁場中的原子，原子精細結構因弱磁場的存在而發生分裂的現象，叫做塞曼效應。最初發現的都是分裂為3條，稱作正常塞曼效應，然而在某些情況下，能級還能分裂成偶數條，比如鹼金屬原子就分裂成兩條，這在當時的理論圖景下，得不到合理解釋，稱作反常塞曼效應。
1925年G.E.烏倫貝克和S.A.古茲密特受到泡利不相容原理的啟發，分析原子光譜的一些實驗結果，提出電子具有內稟運動——自旋，並且有與電子自旋相聯繫的自旋磁矩，由此引出了電子的自旋量子數s。可以解釋原子光譜的精細結構及反常塞曼效應 。
電子自旋造成的原子能級細分，我們更多地稱之為原子精細結構，每一個原子的精細結構都不一樣，我們利用原子這一特性，可以測量遙遠天體的元素成分；而電子自旋共振效應，也在很多領域得到應用，尤其是分子生物學當中。
1928年，P.A.M.狄拉克提出電子的相對論波動方程，方程中自然地包括了電子自旋和自旋磁矩。電子自旋是量子效應，不能作經典的理解，如果把電子自旋看成繞軸的旋轉，則得出與相對論矛盾的結果。而愛因斯坦的觀點是，自旋-軌道耦合是狹義相對論的一個直接推論。
後來，科學家們還相繼發現其他基本粒子，也存在同樣的自旋現象。
到這裡，我們需要知道的是：電子的自旋並非經典的旋轉概念，而是電子的內秉屬性，和質量、電荷的概念是一樣的。之所以叫做自旋，是因為這個概念和經典的旋轉，有一些相似之處，但兩者有著本質的區別。
結束語
一個小小的電子，帶給我們精彩的生活世界，這源自科學家們對於電子行為的深入瞭解。我們今天所有的高科技設備，都與這些微小的基本粒子的運動方式有關。正是電子那些精彩的舞蹈，給我們帶來了光、帶來了熱，帶來了信息時代，更帶來了我們對這個世界的深刻理解。
對於電子，它不是粒子、也不是波、也不是雲、也不是霧，我們不妨放下想把電子的行為與宏觀物質行為進行對比的想法，電子就是電子，它具有波粒二象性，或者更簡單點，什麼定義都不要做，它就是這個樣子的，它是什麼樣就是什麼樣。
親愛的朋友們，本文關於電子的話題就寫到這裡了。我是郭哥聊科學，普及科學知識，傳播科學精神，持續為大家提供高質量的科普文章。
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