我们经常听到“光电转换”和“光子产生电子”这样的说法，但这些不准确的表述容易误导大众，所以我想让大家了解一下光子和电子。考虑到这一点，我决定写一篇文章。澄清这一点。

光子和电子都是非常小的“东西”，可以让我们看到光，但这并不意味着电子比光子小。事实上，电子是世界上第二小的粒子，比电子还小。更小的还有中微子。那么光子呢？物理学中的光子实际上只是能量的载体。

光子与电子的关系

感觉有点头晕？在这篇文章中，我们将清楚地解释什么是光子和电子。

电子的客观存在

电子是绕原子核高速运动的物质基本粒子。到目前为止，科学家们还无法分解电子，电子被认为是不可分割的粒子。我们通常把原子核想象成太阳，把围绕原子核旋转的电子想象成绕太阳运行的行星，比如水星、地球、木星，但实际上并非如此。

我们太阳系中的行星围绕太阳做椭圆运动，但电子却不那么听话。

氢原子是世界上最小、最简单的原子。它的原子核是一个质子，周围只有一个带负电的电子。然而，电子的轨道不是圆形或椭圆形的。电子绕原子核运动的速度接近光速，所以当你观察这个电子时，它的轨道类似于地球周围的“大气层”，电子绕着周围“大气层”的任何部分运动地球随机出现在点上。这些点形成一个称为电子云的“壳”。

氢原子电子云

对于具有更多电子的复杂原子，其每个电子出现在由每个电子的能级确定的自己的概率区域中。在物理学中，这些概率区域称为电子轨道。根据泡利不相容原理，每个电子轨道最多只能被两个电子占据，并且两个电子的自旋方向必须相反。

为什么电子会围绕原子核“运行”，而不是像行星一样停留在椭圆轨道上？这是因为电子在运动的同时不断向外界辐射能量，同时也从外界吸收能量。我们知道电子是有质量的粒子，但电子是轻子，虽然它们的质量很小，只有0.511MeV/C2左右（约9.10910-31kg），但这是因为在高速运动时会发生偏转。当受到电场影响时，能量也会释放到外部，并且这种能量以光子的形式释放。当电子的能量减少时，其轨道会降低，角动量也会发生轻微变化。然后，当电子与外部光子碰撞时，光子将其能量转移给电子，推高电子的轨道，从而使电子在自己的基态轨道上不断改变轨道。当电子获得足够的能量时，它可以跃迁能级，跃迁到更高的轨道，甚至脱离原子核，成为自由电子。

当给予氢不同的能量时，电子轨道会相应改变。

光子的波粒二象性

在量子物理学中，光子实际上是能量位，被称为“光的能量量子”。虽然光子具有粒子的性质，但它们并不是特定的粒子，类似于“声子”和“胶子”。目前普遍接受的物理理论暗示或假设光子是严格无质量的。换句话说，不存在称为光子的“东西”，因此光子的停止质量定义为0。根据爱因斯坦相对论中质量与能量的关系，光子一产生就以光速传播。

光子没有静止质量，但电子有质量。

根据相对论，如果光子严格来说不是没有静止质量的粒子，那么有质量的物体就不能以真实的光速c行进。光子的速度取决于它的频率，并且肯定比光速慢。不过，相对论中所谓的光速c并不是光子行进的实际速度，而是一个自然常数，因此相对论不受光子质量的影响。任何物体理论上在空间和时间上所能达到的速度极限。因此，在相对论中，光速仍然是时空波纹（引力波和引力子）的速度，而不是光子的速度。

光子是否具有静止质量对麦克斯韦方程组有重大影响，迫使库仑定律以及相应的许多我们熟悉的物理定律发生变化。但到目前为止，光子的剩余质量问题仍在科学家们的验证中。

光子的波动特性

与所有基本粒子一样，光子表现出波粒二象性，具有波和粒子的双重属性。但光子波和量子质量是单一现象的两个可观察的方面，无法机械地解释。换句话说，我们不能说光的能量位于光波前的任何位置，也不能确定光量子在空间中的位置。

考虑到光子的这些特性，我们可以看到光子不是电子，并且光子不会从稀薄的空气中产生电子。

那么光电效应是怎么回事？

太阳能电池中的电子不是由光子产生的吗？

光电效应不会从稀薄的空气中产生电子

当光照射到材料表面时，能量会转移到目标，其中一些转移到电子。当电子接收到光的能量时，其自身的动能发生变化，进入更高的能级。如果电子吸收的电子能量不足以从原子中释放出来，它就会发射光子。当最外层电子获得足够的能量时，它就会从原子键中释放出来，成为自由电子。

由此可见，光电效应并不是光子产生电子，而是电子接受光的能量成为自由电子，当物质中积累电势时，就会产生电流。

总结：

光是由物质的运动产生的，在运动过程中，电子通过偏转其轨道向外部发射能量。这种能量的释放主要在原子核内。它表现为光的辐射。

可以通过电子激发产生不同波长的光

物质不断产生光子，能量的释放改变了物质本身的质量。同时，物质总是吸收相同大小的光子以平衡质量损失。

根据经典物理定义，光子没有静止质量，但当以光速传播时，光子具有动态质量。这种动态质量是其自身能量的体现。

电子不能凭空产生或毁灭，但这个过程非常漫长，计算表明电子的平均寿命可以超过6.610年。生命比宇宙还长。当电子遇到正电子时，它会湮灭，产生两个或更多伽马射线光子和强大的能量。这是恒星内部发生的核聚变的中间过程。

总而言之，电子和光子是完全不同的东西。电子是物质的基本粒子，但电子在移动或湮灭时可以发射光子，但光子不能凭空存在。就电子而言，它们只能给电子能量，改变其动能，甚至脱离原子，成为自由电子。

你了解光子和电子吗？

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