Какая форма у электрона?

В зависимости от того, как вы определяете «форму», электрон либо не имеет формы, либо электрон может принимать различные формы волны. Форма электрона никогда не бывает статически круглой, как апельсин.

Причина этого в том, что электрон не является твердым шариком, несмотря на то, что его так часто изображают в популярных средствах массовой информации. Электроны — это квантовые объекты. Как и все другие квантовые объекты, электрон частично является волной, а частично — частицей . Чтобы быть более точным, электрон не является буквально Какая форма у электрона?ни традиционной волной, ни традиционной частицей, а представляет собой квантованную флуктуирующую волновую функцию вероятности. Эта волновая функция в определенном смысле похожа на волну, а в другом — на частицу.

Электрон выглядит как частица, когда он определенным образом взаимодействует с другими объектами (например, при высокоскоростных столкновениях). Согласно Стандартной модели, когда электрон больше похож на частицу, он не имеет формы.

В этом контексте физики называют электрон «точечной частицей», имея в виду, что он взаимодействует так, как будто он полностью расположен в одной точке пространства и не распространяется, чтобы заполнить трехмерный объем.

Вы можете находить идею о том, что фиксированное количество массы содержится в бесконечно малом объеме одной точки, нелогичной. Но вы должны понимать, что электрон — не совсем твердый шар. Это означает, что масса электрона буквально не вжимается в бесконечно малый объем. Скорее, в некоторых случаях, когда электрон выглядит в некотором роде как частица, он взаимодействует так, как если бы полностью находился в одной точке. Следовательно, в смысле взаимодействий, подобных частицам, электрон не имеет формы.

Обратите внимание, что электрон — это фундаментальная частица; он не состоит ни из чего другого (согласно текущим экспериментам и теориям). Все фундаментальные частицы взаимодействуют как бесформенные точки, когда действуют как частицы. Но не все квантовые объекты являются фундаментальными, и поэтому не все квантовые объекты являются точечными частицами.

Протон, например, не является фундаментальным, и вместо этого состоит из трех кварков. Существование частиц внутри протона означает, что протон должен распространяться, чтобы заполнить определенное пространство и иметь определенную форму. Протон — это не точечная частица, а сфера радиусом 8,8 × 10^-16 метров. (Обратите внимание, что как квантовый объект протон не является твердой сферой с твердой поверхностью, а на самом деле представляет собой квантованную волновую функцию, которая взаимодействует при столкновениях частиц, как если бы это была сфера, похожая на облако.)

Если бы электрон состоял из других частиц, он действительно мог бы иметь форму, взаимодействуя как частица. Но это не так. Электрон — это точечная частица.

Когда электрон ведет себя больше как волна, он может иметь всевозможные формы, если его форма подчиняется уравнению электронной волны. Например, когда электрон связан в простом атоме водорода, электрон может принимать знакомые орбитали, такие как форма, показанная на рисунке.

На самом деле слово «орбиталь» в этом контексте на самом деле просто означает «форму электрона, когда он действует как волна, связанная в атоме». Каждая атомная орбиталь — это не какое-то математическое среднее значение того, где был электрон, или какой-то средний прогноз того, где может быть электрон. Каждая орбиталь — это электрон, находящийся в состоянии квантовой волновой функции.

В смысле своего волнообразного состояния электрон в атоме водорода может иметь форму слоистых сфер (состояния «s»), слоистых гантелей (состояния «p»), слоистых четырехлистных клеверов (состояния «d») и других форм при более высоких энергиях. В других атомах и молекулах электрон может принимать еще более сложные формы.

Электрон также может быть захвачен другими объектами, помимо атомов. Например, электаспраоны, захваченные в потенциальных ямах квантового каскадного лазера, принимают форму, которая больше похожа на традиционные волны. Пример формы волновой функции электронов в квантовом каскадном лазере показан на рисунке.

Обратите внимание, что когда ученые или журналисты говорят «форма электрона круглая», они не говорят о буквальной форме. Они говорят о распределении электрического поля, создаваемого свободным электроном, которое полностью отличается от реальной формы.