电子移动的速度是光速吗,为什么自由电子不能吸收光子

电是日常生活中必不可少的东西，特别是现代生活，几乎一切都依赖于电。如果少了电，估计现代人都得继续过上原始人的生活。

我们知道，电从发电厂出来后，经过升压、配送、降压等，最后才输送到用户用电设备上。发电厂到最终用户，都是相隔很远，有些甚至相隔上千公里。连接各个站点之间，输送电能就必须用到电的导体——电缆了。

简单地说，电缆或者电线都是由铜或者铝制造的，外面再套一层绝缘皮。铜和铝就是输送电的导体，电流是从导体中传输的，而外面的绝缘皮则是电流无法流通的，可以隔离电流，防止触电和漏电。那为什么绝缘皮不能导电，而金属能导电呢？导体能导电的机理又是什么？

电流其实就是一大群电子向某一个方向做定向运动，宏观上形成电流形态。导体能够导电，其前提是该材料存在大量可以自由移动的电子。所谓自由电子，就是不受到原子核束缚的电子，不需要按固定轨道绕原子核绕动，就像地球按固定轨道绕太阳公转一样。这些可以自由移动的电子，在电场作用下会作定向运动，从而形成电子流，也就是我们所说的电流。

根据电子排布规律，我们知道每层电子最多可以容纳数量为2n^2个（n为电子层数），电子层数越多，原子核对电子的引力越小。另外， 最外层电子的数量为2或者为8时，其结构是最稳定的。如果最外层电子数量不晚2或者8，那么其结构则是不稳定的。与其他物质发生反应时候，就会通过获得电子或者失去电子的方式，使得最外层电子数变成2个或者8个，从而变成稳定结构。

通过元素周期表可知，金属元素的最外层电子大多数都是少于4个，它们都很容易失去变成自由电子。而绝缘性材料最外层原子则比较多，容易获得电子使自己变成稳定结构。比如说我们常见的铝、铜就是优良的导体材料，常作为导线的导体使用。氟则是优良的绝缘材料，工业上常用它和硫的化合物——六氟化硫作为高压开关的绝缘材料。

当然，金属中最外层的电子也不是随便就变成自由电子的，还需要能量去激发。激发能量的来源很多，包括温度、光辐射照射、电场等，正常情况下金属内部都是存在自由电子的。虽然金属里面存在的自由电子，由于其方向是无规则的，东南西方上下可能都有，所以对外显示电流也为零。这也是为什么摸个金属不被电的原因。

当然，绝缘不是绝对的，而是相对的。如果施加的电压足够高，把绝缘体里面的电子给予足够的能量，将其激发到导带，那么绝缘体也是可以导电的。绝缘体被击穿后，电子已经跃迁到空带，是不能再恢复原来的绝缘能力了。

常见石头的主要成分为氧化硅，氧化硅是靠共价键连接，没有像离子键，也就没有自由电子。所以一般来说，石头是不能导电的。但是也要看什么类型的石头，或者石头是否有其他杂质，有些石头是可能导电的，比如说铁矿石。

木材是由纤维构成，纤维属于有机物，有机物和无机物不同，像氧化硅一样，是由共价键构成。有机物共价键中每个原子的每个核外电子都必须形成共价键 ，没有可以自由移动电子，所以，干木头是不导电的。湿的木棍会导电，是因为水可以导电，所以千万不能拿湿的东西去触碰带电体，否则会导致触电。

水能导电，是因为水中含有各种金属离子，比如说铁离子、镁离子、钙离子等，这些都是可以导电的。纯水因为没有含各种金属离子，所以纯水几乎是不会导电的。之所以说几乎，是因为水分子可以自己电离出水合氢离子和氢氧根离子而导电，只是这个反应程度很低， 我们近似认为纯水不导电。

通过上面介绍，我们已经知道物体能够导电，关键就是需要有可以自由移动的电子。上面情况下可以获得自由电子，该物质就在这种状况下具有导电能力。导体不仅仅是固体、液体，而且气体也导电，按照物质形态进行分类，可以分成三类。

第一类：固体类导体，这里导体中金属是最常见的类型。金属中的原子核和内层电子构成原子实，电子则按照规律一层层排列，而外层的价电子容易挣脱原子核的束缚而成为自由电子，载流子就是这些自由电子。

第二类：液体类导体，电解质的溶液或电解液的熔融电解质也是导体，其载流子就是正负离子。科学实验发现，大部分纯液体虽然也能离解，但离解程度很低，溶液导电能力很弱，因此不算导体。

第三类：气体类导体，通常情形下，气体是不导电的，甚至还是一种良好的绝缘体，比如说我们的空气开关就是利用空气来绝缘。气体能导电，是因为气体已经被电离，只有电离的气体才能导电。虽然此时气体已经处于电离态，但一般还称为气体导电。

当然，要说明的一下的事，电的传播速度是光速，也就是近30万公里每秒。但不是说自由电子的移动速度有那么快，这只是电场的传播速度，而导体中自由电子定向运动速度其实是很慢的，每秒钟还不到1毫米。通电之后，闭合的电路之间就会形成电场，电场以光速传播这场源的变化，所到之处导体内部自由电子马上做定向运动。

虽然电流是导体内部自由电子定向运动的结果，但它们传输不是靠电子一个个流动过去的。而是靠电场传播，电场所到之处就让所有导体上的自由电子做定向运动。就好比很多人围成一个很大的圈，电场就像一个大喇叭，大家听到声音就开始往前走，而不是靠一个一个人的往前传递着走。

金属为什么能导电，石头和木头为什么不能导电，大家都很清楚了吧！

通电电路中电子的移动速度比蜗牛还慢！这是真的吗？

很多人觉得电子在导线中的流动速度非常快，因为在我们生活经验中，在我们按下灯泡开关的那一刻，灯泡就亮起来了，可以说不存在任何延迟，因此，让我们产生了一种错觉，感觉电的传播速度几乎是无限大的，而事实上电子在电线上的流动速度非常慢，甚至比蜗牛还要慢的多。

在了解这个之前电子的速度之前，我们先区分一些概念

之所以我们平时会产生电子移动速度无穷大的印象正是因为我们将电流和电子混淆了。

什么是电流？电流是电子定向移动而产生的。我们可以这样理解，电子是因，电流是果。电流的产生原因是因为电源产生了电场，在电场的作用下电子会从电势高的地方流向电势低的地方，因此产生了电流，电场的传播速度是光速，因此电流传播的速度也是光速。这就是为什么当我们按下开关的那一刻，灯泡立马就亮了。

电子在没有没有通电的导体中可以随意流动，导体就好像是电子的一片海洋，由于运动是杂乱无章的，各个方向上都会存在着运动，因此会相互抵消，在宏观上表现为没有电流。

当加上电场时，电子在电场的作用力下定向移动。

对于单个电子的运动速度，我们可以打这样一个形象的比方，在一个业务办理处，我们将柜员比作用电器，而排队的人比作电子。

有一天还没有上班，但是大家已经排好队正在等待，当上班时间一到，那么最靠近柜台的排队人员就最先开始办理业务了，而后面的电子则需要等前面的人办理完之后才能前进，对于单个人来说，这是一个缓慢的过程，但是业务员却是从上班那一刻就开始工作了，并且这个过程是连续不断的，一个接一个。

这就和电流一样，当我们按下开关的那一刻，最先和灯泡作用的是电路中离灯泡最近的电子，在那一瞬间与灯丝作用，从而产生光亮。而不是电子在那一瞬间从开关跑到灯泡。

因此电子定向流动是瞬间的，也就是电流的产生是瞬间的，但对于其中单独的某个电子来说，那是一个非常缓慢的过程，电流只是我们看到的一个宏观现象。

既然电子的流动是因为电场的产生，因此它的移动速度自然会与电场的强度有关，不仅如此，还与很多因素，例如导线材料，导线粗细有关。

电子速度达不到光速，为何电流传导可以达到光速？

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。