一個瓶子中裝滿電子會怎麼樣?它會有多大能量?

電子是人類發現的第一個基本粒子,它帶有負電荷,電量為1.602176634×10^-19庫侖,質量為9.10956×10^-31kg,在經典的原子模型中電子圍繞著原子核旋轉,但量子論發展後電子的行為有些撲朔迷離,而且根據量子論,瓶子根本沒法裝滿電子,而且瓶子也裝不住電子,這是為何?

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發現電子

電子是英國物理學家湯姆遜在1897重複赫茲的實驗時發現的,但當時湯姆遜並沒有意識到這就是電子,湯姆遜在1899年做光電效應實驗與熱離子發射實驗時才確認,之後湯姆遜根據其發現的電子設想了一個葡萄乾補丁的原子模型,當然我們知道這個模型是錯的。

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  • 原子模型

1909年盧瑟福在指導學生做α粒子散射時發現了原子核,並且根據α粒子散射的角度計算出原子核是一個極小但密度極大的存在,因此盧瑟福修正了湯姆遜的葡萄乾補丁模型,祭出了盧瑟福的經典原子模型性,但很可惜也是錯的。

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因為原子是中性的,所以原子核必定帶正電荷與電子中和,因此繞著正電荷旋轉的電子將會瞬間落入原子核,原子崩潰,所以盧瑟福的原子模型不會存在超過一秒。但盧瑟福的學生玻爾認為這個模型是正確的,只是必須引入一個普朗克的量子化概念,電子有自己的軌道。它的能量輻射和吸收都是量子化的,當然大獲成功,不過要了解電子的特性的話我們還必須瞭解下以下幾位大神的研究。

  • 電子的各種特性

泡利給玻爾原子模型中的電子規定了泡利不相容原理,因為電子之間存在費米子不能處於同一基態的原因,所以它們才會在自己的軌道上在原子中運動(泡利不相容不屬於四大作用力,僅僅是電子不能處在同一狀態的簡併力)

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費米子不相容

德布羅意發現電子根據電子的能量以及普朗克的E=HV公式推導出電子還是個波,電子在前進時的波速高於光速,德布羅意將其稱為相波。

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波恩為薛定諤的波動方程中的電子分佈機率ψ是一個概率,並不是一個空間分佈函數,ψ 的平方代表了電子在某個地點出現的“概率”。

海森堡則發現了不確定性原理,簡單的說電子的動量和位置是不可能同時獲知的。

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以上就是對電子的理解,也許科學界都沒想到,一顆小小的電子居然困擾了科學及幾十年的時間,而且奧最後還爭得面紅耳赤,儘管最後確定下來了電子的波粒二象性,但關於它的一些特性,即使在將近100年後的今天仍然爭論不休。

能將電子裝在玻璃瓶裡嗎?

其實將電子裝進玻璃瓶並不難,每個再真空的瓶子裡都會有幾個原子,因為地球上的真空設備製造不出絕對真空的空間,所以電子就會隨著原子在瓶子裡遊蕩。或者用德國物理學家F.布朗發明的應急射線管,在瓶子外加上磁場,用陰極射線管轟擊玻璃瓶即可,假設它不與內壁產生轟擊衍射等物理效應,那麼電子就會在內部堆積起來。

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陰極射線管

按粒子性來描述的話,它無法裝滿瓶子,會留有大量的空隙,有兩個效應,一個是庫侖斥力,另一個是泡利不相容原理,所以它們之間的空隙會很大。

按波動性來描述的話,它根本沒法裝,瓶子怎麼能裝得住波呢?所以這個問題很有趣,理論上來看,當我們不觀測時電子是不確定的,更多的時候表現出的是一個波,比如它能同時通過兩條狹縫產生干涉條紋,但它的粒子性又會受到磁場控制偏轉。

一個瓶子中裝滿電子會怎麼樣?它會有多大能量?

還有它的不確定性原理和概率性因素,電子在瓶子裡可能呆不住,畢竟沒有原子核束縛的電子成了自由電子,不確定性原理和概率論,以及波粒二象性,上帝,你咋會做這種事情呢?

一瓶電子有多重,有多少電量?

按一礦泉水瓶來計算?假如密密麻麻的塞滿電子的話,能塞進多少千克呢?當然那些啥啥啥量子論的各種效應就不考慮了,比如克服了庫侖斥力,也克服了簡併力,按經典的粒子一個個裝進去來假設計算!

一個瓶子中裝滿電子會怎麼樣?它會有多大能量?

孔徑光柵下的原子世界

電子的直徑:10^^-15m,那麼一個瓶子裡可以裝下:5.2359877559829887307710723054658e-46個電子

電子的質量為:9.10956×10^-31kg,那麼這些電子有869940918.9噸

大約是:8.7億噸

如果全部中和,那麼產生的能量為:152987120352438518392560J

如果按TNT算的話大約是:36564799319416.47噸

大約是:36.56萬億噸TNT的能量

不錯吧,這能量相當可觀,就是很難弄這麼多電子,弄進去了也藏不住哈!

另外一個小小的瓶子無法束縛住這些電子的庫侖斥力和簡併力,當外力一旦撤除後,它們會恢復到原來的排斥狀態,簡單的說會爆炸,產生的威力可能是有史以來地球上最大的爆炸,但卻不會炸出什麼碎片來,因為電子大家也看不到。


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