电子外形什么样?课本中描述与事实相差甚远

电子外形什么样?课本中描述与事实相差甚远
2019年02月27日 09:00 新浪科技
电子通常被认为是构成世界的原子最主要成分之一,每个原子的核周围都有电子,从而决定化学反应如何进行  电子通常被认为是构成世界的原子最主要成分之一,每个原子的核周围都有电子,从而决定化学反应如何进行

  新浪科技讯 北京时间2月27日消息,据国外媒体报道,电子的外形结构是怎样的?如果你回想一下高中课本,答案似乎很清晰:电子是一个带负电荷的小球,它比原子还小。但是这与事实相差甚远。

  电子通常被认为是构成世界的原子最主要成分之一,每个原子的核周围都有电子,从而决定化学反应如何进行。电子在工业领域上的应用非常广泛:焊接,电子成像和先进粒子加速器。目前,“高级冷分子电子电偶极矩(ACME)”物理实验将电子放置在科学探索的中心舞台,ACME实验将试图揭晓一个看似简单的问题:电子的外形是什么?

  传统外形和量子外形?

  据物理学家目前所了解的,电子没有内部结构,因此电子在传统意义上没有外形结构。粒子物理现代语言研究比原子核更小的物体行为,物质基本模块是叫做“量子场”的连续流体物质。知道这一点,如果我们不能在显微镜或者其它光学设备上直接看到电子形状,那么讨论它的外形还有什么意义呢?

  为了解答这个问题,必须调整我们对形状结构的定义,这样就可以在非常小的距离上应用,或者换句话讲,在量子物理领域。我们在宏观世界中看到不同的形状,实际上意味着是用我们的眼睛来检测光线反射到周围不同物体上的状况。

  简单地讲,我们通过观察物体被光线照射时的反应来定义物体外形结构。虽然这可能是一种奇怪的思考外形结构的方式,但这在量子粒子的亚原子世界中是非常有用的。它给予我们一种定义电子属性的方法,这样它们就能模拟我们在传统世界中描述物体外形结构的方式。

  是什么取代了微观世界中形状的概念?光线只不过是振荡的电场和磁场的组合,因此定义电子的量子性质是非常有用的,这种电子携带着有关它如何对外加电场和磁场做出反应的信息。让我具体验证一下吧!

  电场和磁场中的电子

  电子最简单的属性是它的电荷,该属性描述了这种外力,以及电子在外部电场中的加速度。一个带负电荷“电球”也会出现类似的反应,在初中物理课本中有将电子作为“电球”的比喻描述。电子带有电荷的属性在量子世界中仍然存在。

  同样地,电子的另一种“存在属性”叫做磁偶极矩,它揭晓了电子在磁场中的反应。在这一方面,电子行为就像一个微小的条形磁铁,试图使自己沿着磁场的方向运行。这将有助于我们理解为什么物理学家对尽可能精确地测量量子特性感兴趣。

  描述电子外形的量子属性是什么?最简单的属性,也是对物理学家最实用的就是电偶极矩(EDM)。

  在传统物理学中,电偶极矩是电荷空间分离情况下产生的。带电球体不存在电荷分离,电偶极矩为零。你可以将电偶极矩想像成为一个哑铃,它的重量是相反电荷,一侧是负电荷,一侧是正电荷。在宏观世界中,这个哑铃会有一个非零电偶极矩,如果一个物体的形状反映了它的电荷分布,这将意味着这个物体的形状必须与球体形状不同。因此,电偶极矩在宏观角度可视为“哑铃化”。

  量子世界中的电偶极矩

  然而电偶极矩的解释在量子世界中却完全不同,并非传统物理学中的“哑铃”。量子世界中,电子周围的真空并非是空的和静止的,相反,它是由各种各样的亚原子粒子构成,这些粒子在短时间内迅速进入虚拟世界。

  这些虚拟粒子在电子周围形成“云”,如果我们将光线照射在电子上,一些光线会在云中的虚拟粒子上发生反射,而不是电子本身。

  这将改变电荷和磁场、电场电偶极矩的数值,对这些量子特性进行非常精确的测量可以揭示难以捉摸的虚拟粒子在电子相互作用时的行为,以及它们是否改变了电子的电偶极矩。

  最有趣的是,在这些虚拟粒子中有可能存在我们还未发现的未知新粒子。为了观察它们对电子电偶极矩的影响,我们需要将测量结果与目前公认的宇宙理论(标准模型)中的理论预测电偶极矩大小进行对比分析。

  迄今为止,标准模型精确地描述了所有实验室的测量数值。然而,它却无法解决许多最基本的问题,例如:为什么物质在整个宇宙中占主导地位。标准模型也对电子的电偶极矩进行了预测:电子要求电偶极矩非常小,然而如果ACME实验实际检测到电子的电偶极矩的非零值,会发生什么情况呢?

  修补标准模型中的漏洞

  理论模型的提出弥补了标准模型的不足,预测了新的重粒子的存在。这些模型可能会填补我们对宇宙理解的空白。为了验证这些模型,我们需要证实这些新的重粒子的存在。这可以通过大型实验来实现,例如:在国际大型强子对撞机(LHC)上通过直接高能量碰撞形成新粒子而实现。

  或者,我们可以看到这些新粒子如何改变“云”中电荷分布以及电子电偶极矩效应。因此,在ACME实验中对电偶极矩的清晰观察将证明实际存在的新粒子,这就是该项实验的目标。

  这就是为什么近期《自然》杂志上一篇关于电子的文章引起了科学家的关注,科学家利用电子电偶极矩的测量结果以及其它基本粒子性质的测量结果,来帮助识别新粒子,并预测如何更好地研究它们。这样做是为了阐明这些粒子在我们当前对宇宙的理解认识中所充当的角色。

  如何测量电偶极矩呢?我们需要找到一个强电场的来源测试一个电子的反应。这种强电场的一个可能来源可以在一氧化钍这样的分子中找到。这是ACME实验中使用的分子,对这些分子发射调谐激光,可以获得电子的电偶极矩读数,但是前提是电偶极矩数值不是太小。

  然而,事实证明确实如此,参与ACME实验的物理学家并未观察到电子的电偶极矩——表明电偶极矩数值太小,他们的实验设备也无法检测到。这一事实对于我们理解未来大型强子对撞机实验的结果具有重要意义。(叶倾城)

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