电子实验理论
在实验室控制的条件下,电子与其他粒子的相互作用可以用粒子探测器。仔细看看。电子的特性,如质量、自旋和电荷,可以测量和测试。四极离子阱和潘宁阱。带电粒子可以长时间被限制在一个小区域内。通过这种方式,科学家可以精确地测量带电粒子的性质。例如,在一个实验中,一个电子被限制在潘宁阱中10个月。
在1980中,电子磁矩的实验值已经精确到11位数。在当时,它是所有测量的物理常数中最精确的。2008年2月,隆德大学的一组物理团队首次拍摄了电子能量分布的视频图像。科学家使用非常短的闪光,称为阿托秒。脉冲,第一个捕捉到电子的实际运动。
在固体物质中,电子的分布可以通过角度分辨光电子能谱可视化。该技术应用光电效应理论,将高能辐射照射在样品上,然后测量光电发射的电子动能分布和方向分布等数据。通过仔细分析这些数据,我们可以推断出固体物质的电子结构。美国物理学家罗伯特·密立根在1909年做了一个著名的实验,精确测量了电子的电荷。这个实验叫油滴实验。在这个实验中,他利用电场的库仑力来平衡带电油滴感受到的重力。根据电场的强度,他计算出油滴的电荷。他的仪器可以测量含有1 ~ 150离子的油滴的电荷,误差小于0.3%。他发现每个油滴的电荷都是同一个常数的倍数,于是他推断这个常数一定是电子的电荷。
汤姆森和学生约翰·汤森。利用电解离子气体凝结过饱和水蒸气,他通过测量带电水滴的电荷也得到了类似的结果。1911年,亚伯兰·艾奥菲。使用带电金属粒子,独立地获得了相同的结果。他在1911发表了这个结果。而油滴比水滴更稳定,油滴的蒸发率更低,更适合更持久、更精确的实验。
20世纪初,实验者发现快速运动的带电粒子会在其路径上将过冷和过饱和的水蒸气凝结成小雾珠。1911年,查理·威尔森应用这一理论设计了云室仪。实验者可以用相机拍摄快速移动的电子的轨迹。这是早期研究基本粒子的重要仪器。在不同的时代,人们对原子中电子的存在做过各种各样的推测。
最早的原子模型是汤慕孙的话梅布丁模型。发表于1904,汤姆逊认为电子在原子中是均匀排列的,就像带负电的李子在带正电的布丁中一样。1909年,著名的卢瑟福散射实验彻底推翻了这个模型。
卢瑟福根据他的实验结果,在1911年设计了卢瑟福模型。在这个模型中,原子的大部分质量集中在一个小原子核中,大部分原子处于真空中。另一方面,电子围绕原子核旋转,就像行星围绕太阳旋转一样。这种模式对后世影响很大。直到现在,许多高科技组织和单位仍然使用原子核周围电子的原子图像来表示自己。
在经典力学框架下,行星轨道模型有一个无法解释的严重问题:电子以加速度运动会产生电磁波,电磁波会消耗能量;最终能量耗尽的电子会撞上原子核(就像能量耗尽的卫星最终会进入地球大气层一样)。1913年,尼尔斯·玻尔提出了玻尔模型。在这个模型中,电子在原子核外的特定轨道区域内运动。离原子核越远,轨道能量越高。当电子跳跃到更靠近原子核的轨道区域时,会以光子的形式释放能量。反之,能量会从低能级轨道域吸收到高能级轨道域。利用这些量子化的轨道域,玻尔正确地计算了氢原子的光谱。但玻尔模型无法解释谱线的相对强度,也无法计算更复杂原子的光谱。这些问题还有待量子力学解释。
在1916年,美国物理化学家吉尔伯特·路易斯成功地解释了原子之间的相互作用。他提出两个原子之间的一对电子形成了价键。1923年,瓦尔特·海·雷特、瓦尔特·海特勒和弗里茨·伦敦应用量子力学理论,全面解释了电子对和化学键形成的原因。irving langmuir在1919中介绍了Louis的立方体原子模型。提出所有的电子都分布在等厚的同心(近同心)球壳中。他把这些球壳分成几个部分,每个部分包含一对电子。利用这个模型,他可以解释周期表中每种元素的周期化学性质。
1924年,奥地利物理学家Wolfgang Pao用一组参数解释了原子的壳层结构。这组的四个参数决定了电子的量子态。每个量子态只能允许一个电子占据。(这个禁止一个以上的电子占据同一个量子态的规则叫做泡利不相容原理)。这组参数的前三个参数分别是主量子数、角量子数和磁量子数。第四个参数可以有两个不同的值。1925年,荷兰物理学家塞缪尔·高斯米特和乔治·乌伦贝克、乔治·乌伦贝克提出了第四个参数所代表的物理机制。他们认为电子除了运动轨道畴的角动量之外,还可能存在内部角动量,称为自旋,可以用来解释之前实验中高分辨率光谱仪观测到的神秘谱线分裂。这种现象被称为精细结构分裂。1924年,法国物理学家路易·德布罗意(Louis de Broglie)在其博士论文《量子理论研究》(Recherches sur la théOrie des quanta)(《量子理论研究》)中提出德布罗意假说,假设所有物质都像光子一样具有波粒二象性;也就是说,在适当的条件下,电子等物质会表现出粒子或涨落的性质。如果物理实验能表明粒子随着时间的演化在空间轨道的局部位置运动,那么这个实验就清楚地表明了粒子的性质。光波等波通过双缝实验的双缝后,会在检测屏障上产生干涉图样。这一现象无疑区分了波动的本质。1927年,英国物理学家乔治·唐慕孙用金属薄膜,美国物理学家克林顿·戴维森和莱斯特·吉默尔用镍晶体分别发现了电子的干涉效应。
德布罗意的博士论文给了埃尔温·薛定谔一个很大的启发:既然一个粒子有涨落,那么一定有一个波动方程可以完整地描述这个粒子的物理行为。1926年,薛定谔提出了薛定谔方程。这个方程可以描述电子波的传播机制。它不能定性地给出电子在任意时刻的明确轨迹和位置。但是它可以计算出一个电子在某个位置的概率,也就是在某个位置找到一个电子的概率。薛定谔用自己的方程计算了氢原子的谱线,得到了与玻尔模型预言相同的答案(详见氢原子)。薛定谔方程的波动概念为量子力学创造了新的发展平台。再者,考虑到电子的自旋和几个电子的相互作用,薛定谔方程还可以给出原子序较高的其他原子中电子的电子组态。
1928年,保罗·狄拉克发展了狄拉克方程。这个公式可以描述相对论电子的物理行为。相对论电子是以接近光速运动的电子。为了解释狄拉克方程自由电子解遇到的异常负能量态问题,狄拉克提出了一个真空模型,叫做狄拉克海:真空是一个充满负能量粒子的无限海。因此,他预言了宇宙中存在正电子(电子的反物质搭配)。1932年,卡尔·安德森在宇宙线实验中首次证实了正电子的存在。
1947年,willis lamb在与罗伯特·雷研究生Robert Retherford的实验中发现,有些氢原子不应该有能差简并态,甚至可以有很小的能差。这种现象被称为兰姆位移。差不多同一时间,波利卡普·库施的助手模板和亨利·福利。在* * * *完成的一个实验中,发现电子的反常磁矩,即电子的磁矩略大于狄拉克理论预测的值。为了解释这些现象,浅长一郎、朱利安·施温格和理查德·费曼在公元1940年代创立了量子电动力学。二十世纪上半叶,粒子加速器运行所需的理论和设备已经发展起来。物理学家可以开始进一步研究亚原子粒子的性质。1942,唐纳德·凯斯特唐纳德·凯斯特。首先,电磁感应被成功地用于将电子加速到高能。在他的领导下,β加速器的初始能量达到了2.3MeV;后来能量达到了300MeV。1947年,在通用电气实验室,利用一台70MeV的电子同步加速器,物理学家发现了同步加速器辐射,这是相对论性电子在磁场中运动时由于加速而发出的辐射。
1968年,第一台粒子束能量高达1.5GeV的粒子对撞机被命名为ADONE。在意大利国家核物理研究所。开始操作。这个对撞机可以加速相反方向的电子和正电子。与用电子碰撞静止目标相比,这种方法可以有效地使碰撞能量加倍。从1989到2000年,位于瑞士日内瓦郊区的欧洲核研究组织(CERN)的大型正负电子对撞机可以实现高达209GeV的碰撞能量。这台对撞机完成了多次实验,为检验和验证粒子物理标准模型的正确性做出了巨大贡献。电子的质量出现在亚原子领域的许多基本定律中,但由于粒子质量极小,直接测量非常困难。一个物理学家团队克服了这些挑战,获得了迄今为止最精确的电子质量测量。
一个电子被束缚在一个中空的碳原子核中,合成的原子被放置在一个叫做潘宁离子阱的均匀电磁场中。在潘宁离子阱中,原子开始以稳定的频率振荡。研究小组使用微波射击被捕获的原子,导致电子自旋上下翻转。通过比较原子旋转的频率和自旋反转微波的频率,研究人员使用量子电动力学方程来获得电子的质量。