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电子是如何变成光子的?

电子是不可再分的基本粒子

“电子是不是能转化成光子”这样的问题,其实是要看条件的,如果仅仅是一个电子,要让它转化成光子基本上是不可能的事情。

按照上世纪50-70年基于狭义相对论和量子力学,建立起来了一套粒子物理标准模型理论。

这套理论把20世纪,甚至包括21世纪初发现的100多种粒子进行了分类,这种分类并不是大家想象中的那种随意分分。而是基于非常深刻的物理学理论而建立起来的分类体系。在这个理论中把粒子分为两个大类:费米子&玻色子。其中费米子认为是构成物质的最小单位,这里就包括了夸克,电子,电子中微子,μ子,μ子中微子,τ子,τ子中微子以及他们的反粒子。

而玻色子实际上是用来传递相互作用的,胶子是束缚夸克的,而介子是用来把质子和中子束缚在原子核内的,(这里补充一点,介子不属于基本粒子),它们传递的是强相互作用。而衰变有关的相互作用是弱相互作用,是依靠W玻色子和Z玻色子来传递。而光子是用来传递电磁相互作用的。这些粒子都被称为规范玻色子,还有一个赋予粒子质量的叫做希格斯玻色子。

这里夸克一共有36个,轻子有12种,规范玻色子有12种,加上1个希格斯玻色子,一共是61种。

像质子或者中子这样的粒子就没有进入到粒子物理标准模型当中,这是因为他们是可以再分的。电子属于轻子,是不可以再分的,按照目前的理论来说,电子没有半衰期,它的寿命和宇宙的寿命应该是一样的长。因此,想让单个电子直接变成光子是没办法做到的。

正反电子湮灭

虽然单个电子无法做到,但还有一种办法。宇宙诞生之初,温度极其高,当时除了光子之外,没有其他粒子。而光子是没有自己的“反粒子”的,或者说自己是自己的反粒子。所以,早期的光子在极其高温的环境下,获得足够高的能量,并且发生碰撞,是会产生物质粒子的,比如:电子。这主要看一对光子的能量是不是高于一对正反电子的能量,如果是,那就可以产生,多余的能量会转化为电子的动能。

不过,这个过程对于温度要求极为苛刻,下表就列出了要生成各种物质粒子所需要能量。(这张表来自于弱电统一理论的提出者温伯格的科普书《最初三分钟》,讲述的就是宇宙诞生之初,物质粒子产生的过程。)

所以,从这里,我们就会发现,正反粒子对撞是可能会发生点什么的。实际上,电子和它的反粒子正电子,如果对撞,就会发生湮灭,也就是全部转化成了光子的形式散射掉了。因此,如果要实现电子到光子的过程,可以通过电子和正电子的湮灭实现。

当然,这并不是瞎猜的。1928年,狄拉克将量子力学和狭义相对论结合起来提出量子场论时,这方程中就有“正电子”的解。但这只是有理论而已。到了1932年,科学家卡尔·安德森让宇宙射线通过云室和铅片,通过对轨迹和数据的分析,证实了正电子的存在。他也因为发现了正电子获得了1936年诺贝尔物理学奖。后来,科学家实验室里用特高两段的短距离激光轰击1毫米厚度的金箔时,也能够达到正电子,而且数量极为可观。

跃迁

其实还有一种办法根本不需要消灭掉电子也能得到光子,那就是跃迁

原子核外的电子其实可以通过吸收能量,跃迁到更高的能量;同时,它也可以通过释放能量,跃迁到能量更低的能级。这种跃迁的过程就被我们称为跃迁

而跃迁到低能量所释放的能量通常是以电磁波(光子)的形式发出去。所以,电子由高能级向低能级跃迁的过程也能产生光子。


最后,我们来总结一下,单个电子并没有办法直接转化成光子,如果是电子和它的反粒子正电子发生湮灭,那这对正反电子就会完全转化为光子。除此之外,电子从高能级向低能级跃迁,也会释放出能量,这些能量以电磁波(光子)释放出来。

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