一个瓶子中装满电子会怎么样?它会有多大能量?

电子是人类发现的第一个基本粒子,它带有负电荷,电量为1.602176634×10^-19库仑,质量为9.10956×10^-31kg,在经典的原子模型中电子围绕着原子核旋转,但量子论发展后电子的行为有些扑朔迷离,而且根据量子论,瓶子根本没法装满电子,而且瓶子也装不住电子,这是为何?

发现电子

电子是英国物理学家汤姆逊在1897重复赫兹的实验时发现的,但当时汤姆逊并没有意识到这就是电子,汤姆逊在1899年做光电效应实验与热离子发射实验时才确认,之后汤姆逊根据其发现的电子设想了一个葡萄干补丁的原子模型,当然我们知道这个模型是错的。

原子模型

1909年卢瑟福在指导学生做α粒子散射时发现了原子核,并且根据α粒子散射的角度计算出原子核是一个极小但密度极大的存在,因此卢瑟福修正了汤姆逊的葡萄干补丁模型,祭出了卢瑟福的经典原子模型性,但很可惜也是错的。

因为原子是中性的,所以原子核必定带正电荷与电子中和,因此绕着正电荷旋转的电子将会瞬间落入原子核,原子崩溃,所以卢瑟福的原子模型不会存在超过一秒。但卢瑟福的学生玻尔认为这个模型是正确的,只是必须引入一个普朗克的量子化概念,电子有自己的轨道。它的能量辐射和吸收都是量子化的,当然大获成功,不过要了解电子的特性的话我们还必须了解下以下几位大神的研究。

电子的各种特性

泡利给玻尔原子模型中的电子规定了泡利不相容原理,因为电子之间存在费米子不能处于同一基态的原因,所以它们才会在自己的轨道上在原子中运动(泡利不相容不属于四大作用力,仅仅是电子不能处在同一状态的简并力)

费米子不相容

德布罗意发现电子根据电子的能量以及普朗克的E=HV公式推导出电子还是个波,电子在前进时的波速高于光速,德布罗意将其称为相波。

波恩为薛定谔的波动方程中的电子分布机率ψ是一个概率,并不是一个空间分布函数,ψ 的平方代表了电子在某个地点出现的“概率”。

海森堡则发现了不确定性原理,简单的说电子的动量和位置是不可能同时获知的。

以上就是对电子的理解,也许科学界都没想到,一颗小小的电子居然困扰了科学及几十年的时间,而且奥最后还争得面红耳赤,尽管最后确定下来了电子的波粒二象性,但关于它的一些特性,即使在将近100年后的今天仍然争论不休。

能将电子装在玻璃瓶里吗?

其实将电子装进玻璃瓶并不难,每个再真空的瓶子里都会有几个原子,因为地球上的真空设备制造不出绝对真空的空间,所以电子就会随着原子在瓶子里游荡。或者用德国物理学家F.布朗发明的应急射线管,在瓶子外加上磁场,用阴极射线管轰击玻璃瓶即可,假设它不与内壁产生轰击衍射等物理效应,那么电子就会在内部堆积起来。

阴极射线管

按粒子性来描述的话,它无法装满瓶子,会留有大量的空隙,有两个效应,一个是库仑斥力,另一个是泡利不相容原理,所以它们之间的空隙会很大。

按波动性来描述的话,它根本没法装,瓶子怎么能装得住波呢?所以这个问题很有趣,理论上来看,当我们不观测时电子是不确定的,更多的时候表现出的是一个波,比如它能同时通过两条狭缝产生干涉条纹,但它的粒子性又会受到磁场控制偏转。

还有它的不确定性原理和概率性因素,电子在瓶子里可能呆不住,毕竟没有原子核束缚的电子成了自由电子,不确定性原理和概率论,以及波粒二象性,上帝,你咋会做这种事情呢?

一瓶电子有多重,有多少电量?

按一矿泉水瓶来计算?假如密密麻麻的塞满电子的话,能塞进多少千克呢?当然那些啥啥啥量子论的各种效应就不考虑了,比如克服了库仑斥力,也克服了简并力,按经典的粒子一个个装进去来假设计算!

孔径光栅下的原子世界

电子的直径:10^^-15m,那么一个瓶子里可以装下:5.2359877559829887307710723054658e-46个电子

电子的质量为:9.10956×10^-31kg,那么这些电子有869940918.9吨

大约是:8.7亿吨

如果全部中和,那么产生的能量为:152987120352438518392560J

如果按TNT算的话大约是:36564799319416.47吨

大约是:36.56万亿吨TNT的能量

不错吧,这能量相当可观,就是很难弄这么多电子,弄进去了也藏不住哈!

另外一个小小的瓶子无法束缚住这些电子的库仑斥力和简并力,当外力一旦撤除后,它们会恢复到原来的排斥状态,简单的说会爆炸,产生的威力可能是有史以来地球上最大的爆炸,但却不会炸出什么碎片来,因为电子大家也看不到。