电子围绕原子核以运动,那么它的速度是多快呢?
似乎不能用速度来描述电子的运动,有这样理解的朋友肯定是被经典的原子内部模型所蒙蔽了,那个仅仅是辅助理解而在二维平面上表现的三维结构,简单的理解为投影,并且还简化电子能级和位置的概念了,因此才会有速度一说!
原子内部的经典模型如上图,这电子的连续轨道确实错误的,因为电子在围绕原子核运动时在原子核内部空间出现只能以一种概率模式来描述!
就是上图这样,如果没有能量输入的话,它的运动彰显出的是一种随机模式!电子在原子内部按能级的不同分层排列。电子在原子内部运动的空间被称为电子层,电子总是会先出现在在能量最低的电子层里,然后依次如第一层最多可以有2个电子,第二层最多能有8个,第N层最多可以存在2N^2个电子!但最外层却只容纳8个电子,倒数第二层不超过18个,在往内则一层则不超过32个。电子通过吸收和释放能量,可以在各个能级之间跃迁。当然即使有能量输入也是随机运动,但却会有另外一个结果!
电子吸收能量从低能级跃迁到高能级,但这并不是一个稳定的模式,并不会持续太久即重新跌落回低能级,并释放出光子,当然也有可能是其他波段的比如红外或者更高能的波段!
不同能级跌落时释放的波段是不一致的,上图是从低能的红色到高能蓝色以及紫外等的示意图!
电子的位置和能级是无法同时确定的,但有一点可以确定的是,电子的能级越高,它距离原子核越远,一直到超过这种物质的等离子态温度时,电子则游离成自由电子,如果此时输入以更高的温度和压力,让原子核碰撞融合,那就是核聚变啦……似乎听起来很简单哈,但这要求极高,因为我们无法施以等离子体太高的压力,因此只能不断提高温度和保持足够久,以便让原子核有足够的时间碰撞融合!足够的高的温度是多少呢1亿度,时间呢,至少1000S才能商用!当然说的是氚氘元素核聚变!
因此我们并不能以电子以多少速度围绕原子核公转为定义,这根根本就是牛头不对马嘴嘛!
电子是不能达到光速的,为何电流的传导速度却是光速?
夜幕降临时,我们通常都会随手打开房间里的电灯,每当这个时候,我们都可以见识一次电流的传导速度,只要我们按下电灯的开关,不管电灯距离开关的距离有多远,它都会在一瞬间发出光明。那么电流的传导速度到底有多快呢?答案就是光速。
我们都知道,电流是电子的定向移动产生的,而电子虽然很小,但是还是有质量的,现在的科学家们已经计算出了电子的质量为9.10956 x 10^-31 千克。著名的科学家爱因斯坦曾经提出一条物理学的铁律,即凡是有质量的物质都不可能达到光速,迄今为止,这一铁律都未曾被打破过。
很显然,既然电子有质量,那么电子的速度就不能达到光速。事实上也是这样,现代的粒子加速器可以将电子加速到光速的99.99%以上,但就是没办法将电子加速到光速。
现在就有了一个问题:既然电子的速度不能达到光速,那为何电流的传导速度却是光速?
上图是一张超级简单的电路图,我们不用亲自去做这个实验都可以知道,只要将电路中的开关闭合,电路中的灯马上就会亮。关于这个实验,可能会让人产生一个认知,那就是当从电源出发的电子通过灯时,灯就亮了,但实际上却不是这样。
要产生电流,就必须有一个闭合的通路,对于上述的这种电路,我们可以简单地认为,当开关闭合时,电子不停地从电源的负极出发,与此同时,电路中的电子又不停地回到电源的正极。值得注意的是,在这个过程中,并不是电源发出的电子在单独行动,而是整个电路的电子几乎同时在行动。
为了方便理解,我们可以将这个电路想象成一个密封的、充满了水的管道,其中电源相当于一个持续的加压装置,而电子就相当于管道里的水,显而易见的是,当开关闭合时,管道里所有的水都会在加压装置的作用下一起运动。
于是我们可以清楚地了解到,真正让这个电路中的灯发光的,并不是电源发出的电子,而是在它附近的电子。也就是说,当灯发光的时候,电源发出的电子其实还在赶来的路上。
那到底是什么在驱动电路中的电子移动的呢?答案就是电场力。电场是一种客观存在的特殊物质,它会对所有处于其中的电荷产生作用力,这个力就是电场力。需要指出的是,根据现代物理学的描述,电场的传播速度就是光速。
有了以上的认识,我们就可以给出“电子的速度不能达到光速,那为何电流的传导速度却是光速”这个问题的答案了。当电路的开关闭合时,电源就会以光速在整个电路中建立起电场,在电场力的驱动下,电路中所有的电子都会一起移动,从而形成电流。所谓的“电流的传导速度”,其实指的就是电场的传播速度,那么它当然就是光速了。
可能大家都会很好奇,电路中电子的真正移动速度到底有多快,事实上,这个速度可能比大家想象中要慢得多。电路中电子的移动速度是可以通过相关公式计算出来的,考虑到篇幅问题以及计算过程的无聊,这里只讲结果:理想情况下,当强度为1A的电流通过一根直径为1毫米的标准铜导线时,这根铜导线内的电子移动速度仅为每秒钟0.1毫米。
好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们 ,我们下次再见`
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