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電子是如何變成光子的?

電子是不可再分的基本粒子

“電子是不是能轉(zhuǎn)化成光子”這樣的問題,其實是要看條件的,如果僅僅是一個電子,要讓它轉(zhuǎn)化成光子基本上是不可能的事情。

按照上世紀50-70年基于狹義相對論和量子力學,建立起來了一套粒子物理標準模型理論。

這套理論把20世紀,甚至包括21世紀初發(fā)現(xiàn)的100多種粒子進行了分類,這種分類并不是大家想象中的那種隨意分分。而是基于非常深刻的物理學理論而建立起來的分類體系。在這個理論中把粒子分為兩個大類:費米子&玻色子。其中費米子認為是構(gòu)成物質(zhì)的最小單位,這里就包括了夸克,電子,電子中微子,μ子,μ子中微子,τ子,τ子中微子以及他們的反粒子。

而玻色子實際上是用來傳遞相互作用的,膠子是束縛夸克的,而介子是用來把質(zhì)子和中子束縛在原子核內(nèi)的,(這里補充一點,介子不屬于基本粒子),它們傳遞的是強相互作用。而衰變有關的相互作用是弱相互作用,是依靠W玻色子和Z玻色子來傳遞。而光子是用來傳遞電磁相互作用的。這些粒子都被稱為規(guī)范玻色子,還有一個賦予粒子質(zhì)量的叫做希格斯玻色子。

這里夸克一共有36個,輕子有12種,規(guī)范玻色子有12種,加上1個希格斯玻色子,一共是61種。

像質(zhì)子或者中子這樣的粒子就沒有進入到粒子物理標準模型當中,這是因為他們是可以再分的。電子屬于輕子,是不可以再分的,按照目前的理論來說,電子沒有半衰期,它的壽命和宇宙的壽命應該是一樣的長。因此,想讓單個電子直接變成光子是沒辦法做到的。

正反電子湮滅

雖然單個電子無法做到,但還有一種辦法。宇宙誕生之初,溫度極其高,當時除了光子之外,沒有其他粒子。而光子是沒有自己的“反粒子”的,或者說自己是自己的反粒子。所以,早期的光子在極其高溫的環(huán)境下,獲得足夠高的能量,并且發(fā)生碰撞,是會產(chǎn)生物質(zhì)粒子的,比如:電子。這主要看一對光子的能量是不是高于一對正反電子的能量,如果是,那就可以產(chǎn)生,多余的能量會轉(zhuǎn)化為電子的動能。

不過,這個過程對于溫度要求極為苛刻,下表就列出了要生成各種物質(zhì)粒子所需要能量。(這張表來自于弱電統(tǒng)一理論的提出者溫伯格的科普書《最初三分鐘》,講述的就是宇宙誕生之初,物質(zhì)粒子產(chǎn)生的過程。)

所以,從這里,我們就會發(fā)現(xiàn),正反粒子對撞是可能會發(fā)生點什么的。實際上,電子和它的反粒子正電子,如果對撞,就會發(fā)生湮滅,也就是全部轉(zhuǎn)化成了光子的形式散射掉了。因此,如果要實現(xiàn)電子到光子的過程,可以通過電子和正電子的湮滅實現(xiàn)。

當然,這并不是瞎猜的。1928年,狄拉克將量子力學和狹義相對論結(jié)合起來提出量子場論時,這方程中就有“正電子”的解。但這只是有理論而已。到了1932年,科學家卡爾·安德森讓宇宙射線通過云室和鉛片,通過對軌跡和數(shù)據(jù)的分析,證實了正電子的存在。他也因為發(fā)現(xiàn)了正電子獲得了1936年諾貝爾物理學獎。后來,科學家實驗室里用特高兩段的短距離激光轟擊1毫米厚度的金箔時,也能夠達到正電子,而且數(shù)量極為可觀。

躍遷

其實還有一種辦法根本不需要消滅掉電子也能得到光子,那就是躍遷。

原子核外的電子其實可以通過吸收能量,躍遷到更高的能量;同時,它也可以通過釋放能量,躍遷到能量更低的能級。這種躍遷的過程就被我們稱為躍遷。

而躍遷到低能量所釋放的能量通常是以電磁波(光子)的形式發(fā)出去。所以,電子由高能級向低能級躍遷的過程也能產(chǎn)生光子。


最后,我們來總結(jié)一下,單個電子并沒有辦法直接轉(zhuǎn)化成光子,如果是電子和它的反粒子正電子發(fā)生湮滅,那這對正反電子就會完全轉(zhuǎn)化為光子。除此之外,電子從高能級向低能級躍遷,也會釋放出能量,這些能量以電磁波(光子)釋放出來。

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