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新研究的观测结果显示电子是圆的但这究竟意味着什么

上周,哈佛大学的一个物理研究团队公布了他们的研究,认为他们所计算出的电子形状是圆的。
图|现有的技术还不足以探测到电子的电偶极矩(来源:arstechnica)对称性我们一般都会把电子想成是一个带电粒子,一个带电的点,不具有任何内部结构,但实际上,还有角动量和磁性,而这两个性质则对电子的形状做了限制。
磁铁有磁极,而电子若有磁性,在理论上则需在磁场轴方向上拥有内部电荷,但要证明这点很难,因为电子内部可存在的电荷分布量级实在是太小了,现有理论和技术都难以使电子的内部电荷以非零电偶极矩(n

上周,哈佛大学的一个物理研究团队公布了他们的研究,认为他们所计算出的电子形状是圆的。

图|现有的技术还不足以探测到电子的电偶极矩(来源:arstechnica)

对称性

我们一般都会把电子想成是一个带电粒子,一个带电的点,不具有任何内部结构,但实际上,还有角动量和磁性,而这两个性质则对电子的形状做了限制。

磁铁有磁极,而电子若有磁性,在理论上则需在磁场轴方向上拥有内部电荷,但要证明这点很难,因为电子内部可存在的电荷分布量级实在是太小了,现有理论和技术都难以使电子的内部电荷以非零电偶极矩(non-zero electric dipole moment)的形式被探测到。

而偶极矩(dipole moment)本质上指的是电荷分布受力矩(torque,这里指一个能扭曲电荷分布的力)的影响程度。

带电的足球

在宏观层面上,一个电子就好比是一个被一根细棍悬在空中的带电金属足球,由于电荷同性相斥,在不受外界干扰的情况下,足球所带电荷会均匀分布在表面。但如果我们用沙粒般大小的电荷持续射击足球重心以外的部分,利用电荷同性相斥的原理使足球发生偏转,足球本身的电荷分布也会此期间发生改变。

而寻找电偶极矩的研究基本上就是在寻找这种由电荷分布改变产生的测量差异。哈佛大学团队在实验中重点研究了强电场环境中电子行为是否会发生改变,也就是通过寻找非球形电荷分布来找到电偶极矩存在的证据。

是圆还是球?

现有理论认为电子如果是球形,其直径约为 10-38 厘米,由强电场产生的扭矩所造成的影响更是微乎其微,超出了现有技术的观测范围,在本次哈佛大学的研究中被观测电子为圆形也不为怪。同时,哈佛的团队在本次研究中也未能找到电偶极矩存在的证据。

那既然没测出来,那新闻的意义在哪里呢?这是因为标准模型预言了电子上存在微小的电偶极矩,这也给我们留下了许多悬而未决的问题,比如“为什么基本常数就是它们的取值?”、“标准模型与重力理论是否相配?”和“如果暗物质是一种粒子,我们可以将它整合到标准模型中吗?”

物理学家们多年来一直希望电子的电偶极矩属于我们可测范围,进而以此回答那些标准模型没有给出答案的问题。

虽然标准模型和目前大部分实验数据相符,但由于这种目前还尚无答案的问题,导致物理学家们对“标准模型是否能经得住考验”还存在很多疑虑。

在许多对目前尚无实验数据科研领域尝试完善标准模型的理论当中,很多都认为电子的电偶极矩应处于现有技术可观测的范围,但哈佛的这项研究无疑是对这些猜测的终结。

曾有理论物理学家坦言:“有的理论在数学上是如此的自治,在任何方面都很漂亮,以至于它应该不可能出错,而有的理论是如此‘丑陋’,以至于我想拿个铁锹把它夷为平地。”

但无论如何,虽然许多由标准模型延伸而成的候选理论被终结了,与标准模型有关的问题仍然存在。

新研究的观测结果显示电子是圆的但这究竟意味着什么

为什么原子核周围的电子是圆周运动,但不可以用牛顿的经典力学公式算出来?

原子核周围的电子是圆周运动,但是运动的速率接近真空中的光速的,需要运用到量子力学。
经典力学的应用受到物体运动速率的限制,当物体运动的速率接近真空中的光速时,经典力学的许多观念将发生重大变化。如经典力学中认为物体的质量不仅不变,并且与物体的速度或能量无关,但相对论研究则表明,物体的质量将随着运动速率的增加而增大,物体的质量和能量之间存在着密切的联系。但当物体运动的速度远小于真空中的光速时,经典力学仍然适用。   牛顿运动定律不适用于微观领域中物质结构和能量不连续现象。19世纪和20世纪之交,物理学的三大发现,即X射线的发现、电子的发现和放射性的发现,使物理学的研究由宏观领域进入微观领域,特别是20世纪初量子力学的建立,出现了与经典观念不同的新观念。例如:量子力学的研究表明,微观粒子既表现为粒子性又表现为波动性,粒子的能量等物理量只能取分立的数值,粒子的速度和位置具有不确定性,粒子的状态只能用粒子在空间出现的概率来描述等。但量子力学的建立并不是对经典力学的否定,对于宏观物体的运动,量子现象并不显著,经典力学依然适用。

新研究的观测结果显示电子是圆的但这究竟意味着什么

电子是怎样被发现的,这一发现的意义是什么

电子是在1897年由剑桥大学卡文迪许实验室的约瑟夫·约翰·汤姆森在研究阴极射线时发现的。

电子的发现打破了原子不可分的经典的物质观,向人们宣告原子不是构成物质的最小单元,它具有内部结构,是可分的。电子的发现是与微观物质组成有最直接的关系,它是组成原子的普适成分,它的质量比氢原子要小3个数量级。

电子的发现开辟了原子物理学的崭新研究领域。在这以后,电子的性质,在原子中电子的运动规律,电子通过晶体的衍射等都是物理学家感兴趣的研究内容。在这些领域的不少研究成果都获得了诺贝尔物理学奖。

扩展资料:

电子的发现和阴极射线的实验研究联系在一起的,而阴极射线的发现和研究又是以真空管放电现象开始的。早在1858年,德国物理学家尤利乌斯·普吕克在一个抽成真空的玻璃管两端加上高电压,管壁上产生荧光。德国物理学家戈得斯坦认为,管壁上的荧光是由于玻璃受到阴极发出的某种射线的撞击而引起的。

在通常情况下,气体是不导电的,但在强电场中,气体能够被电离而导电。当电子脱离原子核束缚在其它原子中自由移动时,其产生的净流动现象称为电流。各种原子束缚电子能力不一样,于是就由于失去电子而变成正离子,得到电子而变成负离子。

电子与质子之间的吸引性库仑力,使得电子被束缚于原子,称此电子为束缚电子。两个以上的原子,会交换或分享它们的束缚电子,这是化学键的主要成因。当电子脱离原子核的束缚,能够自由移动时,则改称此电子为自由电子。

许多自由电子一起移动所产生的净流动现象称为电流。在许多物理现象里,像电传导、磁性或热传导,电子都扮演了要重要的角色。移动的电子会产生磁场,也会被外磁场偏转。呈加速度运动的电子会发射电磁辐射。

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