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电子与电荷的干系,以及电子可以再分吗?

电荷的最终携带者是组成原子的微小电子。在运动的原子中,每个绕原子核运动的电子都带有一个单位的负电荷,而原子核里面的质子带有一个单位的正电荷。正常情况下,在物质中电子和质子的数目是相等的,它们携带的电荷相平衡,物质呈中型。物质在经过摩擦后,要么会失去电子,留下更多的正电荷(质子比电子多)。要么增加电子,获得更多的负电荷(电子比质子多)。这个过程称为摩擦生电。

人们对于电子在原子中的排列问题,进行了长久的研究。在不同的时代,人们对电子在原子中的存在方式有过各种不同的推测。

最早的原子模型是汤姆孙的梅子布丁模型。发表于1904年,汤姆逊认为电子在原子中均匀排列,就像带正电布丁中的带负电梅子一样。1909年,著名的卢瑟福散射实验彻底地推翻了这模型。1909年卢瑟福和他的助手盖革(H.Geiger)及学生马斯登(E.Marsden)在做α粒子和薄箔散射实验时观察到绝大部分α粒子几乎是直接穿过铂箔,但偶然有大约1/8000α粒子发生散射角大于90。所以不能用汤姆逊原子模型来解释。

卢瑟福根据他的实验结果,于1911年,设计出卢瑟福模型。在这模型里,原子的绝大部分质量都集中在小小的原子核中,原子的绝大部分都是真空。而电子则像行星围绕太阳运转一样围绕着原子核运转。这一模型对后世产生了巨大影响,直到现在,许多高科技组织和单位仍然使用电子围绕着原子核的原子图像来代表自己。

在经典力学的框架之下,行星轨道模型有一个严重的问题不能解释:呈加速度运动的电子会产生电磁波,而产生电磁波就要消耗能量;最终,耗尽能量的电子将会一头撞上原子核(就像能量耗尽的人造卫星最终会进入地球大气层)。于1913年,尼尔斯·玻尔提出了玻尔模型。在这模型中,电子运动于原子核外某一特定的轨域。距离原子核越远的轨域能量越高。

电子跃迁到距离原子核更近的轨域时,会以光子的形式释放出能量。相反的,从低能级轨域到高能级轨域则会吸收能量。藉著这些量子化轨域,玻尔正确地计算出氢原子光谱。但是,使用玻尔模型,并不能够解释谱线的相对强度,也无法计算出更复杂原子的光谱。

到1916年,美国物理化学家吉尔伯特·路易士成功地解释了原子与原子之间的相互作用。他建议两个原子之间一对共用的电子形成了共价键。于1923年,沃尔特·海特勒Walter Heitler和弗里茨·伦敦Fritz London应用量子力学的理论,完整地解释清楚电子对产生和化学键形成的原因。于1919年,欧文·朗缪尔将路易士的立方原子模型。加以发挥,建议所有电子都分布于一层层同心的(接近同心的)、等厚度的球形壳。他又将这些球形壳分为几个部分,每一个部分都含有一对电子。使用这模型,他能够解释周期表内每一个元素的周期性化学性质。

于1924年,奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利用一组参数来解释原子的壳层结构。这一组的四个参数,决定了电子的量子态。每一个量子态只能容许一个电子占有。(这禁止多于一个电子占有同样的量子态的规则,称为泡利不相容原理)。这一组参数的前三个参数分别为主量子数、角量子数和磁量子数。第四个参数可以有两个不同的数值。

于1925年,荷兰物理学家撒姆耳·高斯密特Samuel Abraham Goudsmit和乔治·乌伦贝克George Uhlenbeck提出了第四个参数所代表的物理机制。他们认为电子,除了运动轨域的角动量以外,可能会拥有内在的角动量,称为自旋,可以用来解释先前在实验里,用高分辨率光谱仪观测到的神秘的谱线分裂。这现象称为精细结构分裂。

有了这些关于电子的基本内容的介绍,我们接下来看看这个新闻。

100多年前,当美国物理学家Robert Millikan首次通过实验测出电子所带的电荷为1.602×10-19C后,这一电荷值便被广泛看作为电荷基本单元。然而如果按照经典理论,将电子看作“整体”或者“基本”粒子,将使我们对电子在某些物理情境下的行为感到极端困惑,比如当电子被置入强磁场后出现的非整量子霍尔效应。

为了解决这一难题,1980年,美国物理学家Robert Laughlin提出一个新的理论解决这一迷团,该理论同时也十分简洁地诠释了电子之间复杂的相互作用。然而接受这一理论确是要让物理学界付出“代价”的:由该理论衍生出的奇异推论展示,电流实际上是由1/3电子电荷组成的。

但1981年有物理学家提出,在某些特殊条件下电子可分裂为带磁的自旋子和带电的空穴子。英国剑桥大学研究人员和伯明翰大学的同行合作完成了这项研究。公报称,电子通常被认为不可分。剑桥大学研究人员将极细的“量子金属丝”置于一块金属平板上方,控制其间距离为约30个原子宽度,并将它们置于近乎绝对零度的超低温环境下,然后改变外加磁场,发现金属板上的电子在通过量子隧穿效应跳跃到金属丝上时分裂成了自旋子和穴子。

研究人员说,人们对电子性质的研究曾掀起了半导体革命,使计算机产业飞速发展,又出现了实际研究自旋子和空穴子性质的机会,这可能会促进下一代量子计算机的发展,带来新一轮的计算机革命。

各位,相信你也是第一次听说这两个粒子:自旋子,空穴子。按这个报道的话,就是说已经发现了这个粒子。我特意去查了这两个粒子。

自旋子(英语:spinon)是一种准粒子,是电子出现电荷自旋分离现象时分裂成的三种准粒子之一(另两种为空穴子与轨道子)。也就是说电子可再分为自旋子,空穴子,轨道子。

2011年进一步的研究发现,在X射线照射下Sr2CuO3中铜原子的电子会跃迁到高能轨道,并分裂成自旋子与携带轨道位的轨道子。竟然是2011年的新闻。

轨道子(英语:orbiton)是一种准粒子,是电子出现电荷自旋分离现象时分裂成的三种准粒子之一(另两种为自旋子与空穴子)。

1997-1998年,van den Brink、Khomskii与Sawatzky从理论上预言了轨道子的存在。2011年的一项研究则在实验中观察到了轨道子。实验使用X射线照射一维Sr2CuO3材料,导致铜原子中的电子跃迁到高能轨道,并分裂成携带自旋性质的自旋子与携带轨道位的轨道子。

空穴子(英语:holon),又称为电荷子(chargon),是一种准粒子,是电子出现电荷自旋分离现象时分裂成的三种准粒子之一(另两种为自旋子与轨道子)。

各位首先在这里要明确一个概念,那就准粒子的概念。准粒子是一种量子能。从凝聚态物理学上,你也可以这样想象,准粒子类似于在相互作用粒子系统中的一个实体,当实体中的一个粒子在系统中穿行并朝着一定方向运动,环绕该粒子的其它粒子云因为其间的相互作用而脱离原有的运动轨迹,或者"被拖拽着向某个方向运动",从宏观上看来 ,这一系统就像一个自由运动着的整体,也就是一个"准粒子"。实际上这不是一个实在的粒子。

元激发和准粒子的概念,是Landau在他的流体量子理论中首先引入的,这是固体量子理论的重要概念,已逐渐发展为元激发物理。

固体是由大数量(数量级1029/m3)有较强相互作用的微观质粒(分子、原子或离子,电子等)组成,它们的运动是互相关联和互相制约的集体运动。按照量子力学的描述,这样的集体运动在固体内形成一种波动和相应的波场。在处于接近基态的低激发态时,在简谐近似下,这种激发的波动可看作一系列频率不同的平面波,这些平面波相应于具有一定能量和动量,并且满足某种色散律的准粒子。

这样的处理,将有较强相互作用的多粒子系统,变成为许多独立准粒子的集合,故可用统一的方式描述固体的性质,而且使问题的处理大为简化。

值得注意的是,元激发和准粒子是用量子力学处理多粒子系统时人为引入的概念,并不是真实的微观粒子,它们不能脱离固体而单独存在;而且,随着温度升高或强的外部激发,系统将处于高的激发态,准粒子数随之增大,因此准粒子系统的粒子数是不守恒的,元激发之间的相互作用就渐显重要,从而对固体性质有重要影响。

元激发和准粒子一般有二种类型。一种是Bose型元激发,相应的准粒子是玻色子,如声子、转子、磁振子(自旋波量子),等离激元、激子等;另一种是Fermi型元激发,相应的准粒子是费米子,如准电子、空穴子、极化子等。实际上极化子是电子和声子耦合的复式元激发,复式元激发最为重要是光子-TO声子的极化激元和激子-TO声子的极化激元等。随着固体非线性行为研究的深入,非线性的元激发-孤子正在步入各个研究领域。

元激发和准粒子的概念,是固态量子理论发展的里程碑,应用的范围涉及表面物理、非晶态物理,以及材料科学、信息科学,能源科学等许多研究领域,非线性元激发已引起物理学家的广泛重视

有了上面的铺垫,我们来看这个新闻:一个由瑞士保罗·谢尔研究所实验物理学家和德国德累斯顿固体和材料研究所理论物理学家领导的国际研究小组通过实验发现,一个电子分裂成两个独立的准粒子:自旋子(spinon)和轨道子(orbiton)。这一结果发表在近日的《自然》杂志上。

以往人们认为电子是一种基本粒子,无法分裂为更小部分。上世纪80年代,物理学家预言,电子以原子的一维链形式存在,可以分裂成3个准粒子:空穴子携带电子电荷,自旋子携带旋转属性(一种与磁性有关的内在量子性质),轨道子携带轨道位。1996年,物理学家将电子空穴和自旋子分开,自旋和轨道这两种性质伴随着每一个电子。

然而,新实验观察到这两种性质分开了——电子衰变为两个不同部分,各自携带电子的部分属性:一个是自旋子,具有电子的旋转属性;另一个是轨道子,具有电子绕核运动的属性,但这些新粒子都无法离开它们的物质材料。

研究人员用瑞士光源(Swiss Light Source)的X射线对一种叫做Sr2CuO3的锶铜氧化物进行照射,让其中铜原子的电子跃迁到高能轨道,相应电子绕核运动的速度也就越高。他们发现,电子被X射线激发后分裂为两部分:一个是轨道子,产生轨道能量;另一个是自旋子,携带电子的自旋性及其他性质。Sr2CuO3有着特殊性质,材料中的粒子会被限制只能以一个方向运动,向前或向后。通过比较X射线照射材料前后的能量与动量的变换,可以追踪分析新生粒子的性质。

实验小组领导托斯登·施密特说:“这些实验不仅需要很强的X射线,把能量收缩在极狭窄范围,才能对铜原子的电子产生影响,还要有极高精度的X射线探测仪。”

“这是首次观察到电子分成了独立的自旋子和轨道子。现在我们知道了怎样找到它们。下一步是同时产生出空穴子、自旋子和轨道子来。”理论小组领导杰罗恩·范德·布林克说,“在材料中,这些准粒子能以不同的速度、完全不同的方向运动。这是因为它们被限制在材料中时,性质就像波。当被激发时,波分裂为多个,每个携带电子的不同特征,但它们不能在材料以外独立存在。”

观察到电子分裂将对一些前沿领域产生重要影响,如高温超导和量子计算机。Sr2CuO3中的电子和铜基超导材料中的电子有着相似的性质,该研究为高温超导研究提供了一条新途径。此外,研究轨道子有助于开发量子计算机。“同时用自旋子和轨道子来编码和操控信息,这可能是未来发展的方向。”英国牛津大学物理学家安德鲁·波斯罗伊德说,“量子计算机的一个主要障碍是量子效应会在完成计算之前被破坏。而轨道子的跃迁速度只要几飞秒(1飞秒=10的负15次方秒),这样的速度为制造现实量子计算机带来了更多机会。”

读到这里,你怎么理解这个实验?不太好理解,看时间是2012年的央视新闻,电子分裂实验,应该是诺奖级别的实验。所以对于该新闻还是要有谨慎态度。

因为这是一种激发过程,激发就难免碰撞和能量的交互。那么如何排除不是光子或其他能量的效应。这一点要考虑进去。你仔细读读这句话“在材料中,这些准粒子能以不同的速度、完全不同的方向运动。这是因为它们被限制在材料中时,性质就像波。当被激发时,波分裂为多个,每个携带电子的不同特征,但它们不能在材料以外独立存在。”

它这个描述甚至连想象的余地都没有。你试着去想象一下,就会觉得痛苦。这三种空穴子、自旋子和轨道子是准粒子,那就不是粒子。无论是不是,它不能在材料外独立存在,这就是说没有直接捕获。也就是电子的分裂是捕获的分裂迹象。我这样描述的时候,大家是不是也觉得不好理解。

电子可以再分的一个启发是,其他基本粒子也可以再分。其实我倒觉得物理学家反复去创造一些类似于上面这些“子”概念,会使得物理越走越难。因为这些概念,其实并不简洁。

再思考一下,电子可以分为三个类型的粒子。空穴子、自旋子和轨道子。问题来了,空穴子携带电子电荷,那么空穴子这种准粒子本身还具有自旋和轨道性质吗?如果不具有,该如何想象?如果具有,那么该如何理解?所以我说这个不好理解。

如果电子可以实实在在分裂为这三个粒子,那就是一种新发现,新粒子的出现。如果不能脱离材料外出现,连观测都会不容易。那么理论明确化,就会受到制约。

还有该理论和夸克理论,似乎有相似之处。因为我们目前也没有观测到独立的夸克。所以电子可再分的意义,以及问题,其实有很多很多的。

最后强调,电子再分,不是说分裂成了三个实粒子,而是准粒子。准粒子大多是为了简化系统的描述,而提出的粒子,并不真实。但它有可观测的迹象。试想一下,如果真的电子再分为三个粒子,那么该实验一定是诺奖级别的,一定会轰动世界。

本章只是介绍新理论,新知识。新理论,新知识你可以提出自己的理解,甚至是质疑。我们对于世界的认识,就是这样深化的。我期待该理论的明确化。不过还有一点,大家应该联想到。我在《变化》中有说过,认为宇宙是无限大的。那么物质世界的尺寸,没有最大,那么也应该没有最小。所以电子能够再分,是一个可以想象的事情。最后祝大家学习阅读快乐。

摘自独立学者,科普作家灵遁者量子力学科普书籍《见微知著》

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