經(jīng)常聽到“光電相互轉(zhuǎn)換”、“光子能產(chǎn)生電子”的說法，這些不準(zhǔn)確的提法容易對公眾造成誤導(dǎo)，因此決定寫一篇文章進行澄清，希望對大家認(rèn)識光子與電子有所幫助。
光子與電子都是極小的“東西”，我們能看見光，但看不見電子，這并不代表電子比光子更小，事實上電子是這個世界上目前已知第二小的粒子，比電子更小的是中微子。那么光子呢？物理學(xué)中的光子它實際上只是能量的載體。
光子與電子的關(guān)系
是不是有點暈？本文就跟你講明白，光子與電子究竟是什么。
電子是一種基本物質(zhì)粒子，它在原子核的外圍高速運行。到目前為止，科學(xué)家們都無法將電子打散，它被認(rèn)為是不能分割的粒子。我們通常會將原子核想象成太陽，將圍繞著原子核運動的電子想象成圍繞太陽旋轉(zhuǎn)的行星，比如水星、地球或木星，但事實上并不如此。
太陽系的行星圍繞太陽作橢圓運動，電子可沒這么老實
氫原子是世界上最小也是最簡單的原子，它的原子核就是一個質(zhì)子，質(zhì)子帶一個正電荷，圍繞著這個質(zhì)子運行的只有一個帶負(fù)電荷的電子，電子由于靜電引力的作用圍繞著質(zhì)子運動。即便如此，電子的運動軌跡也不是一個圓或橢圓。由于電子繞核運動的速度接近光速，當(dāng)我們觀察這個電子時，它的運動軌跡更像是地球周圍的“大氣層”，電子會隨機出現(xiàn)在原子核周圍“大氣層”的任何一個點上，這些點形成一個“殼層”，我們稱之為電子云。
氫原子的電子云
對于擁有更多電子的復(fù)雜原子來說，它的每一個電子都會出現(xiàn)在自己的概率區(qū)，這是由每個電子各自的能級所決定的，物理上將這些概率區(qū)稱為電子軌道。按照泡利不相容原理，每個電子軌道最多只能被兩個電子占據(jù)，并且這兩個電子的自旋方向必須相反。
為什么電子并不會像行星那樣老老實實地呆在自己的橢圓軌道里，而是圍繞著原子核“亂竄”？這是因為電子在運動過程中不斷地向外輻射能量，同時它也會從外部吸收能量。我們知道電子是有質(zhì)量的粒子，盡管電子是輕子，它的質(zhì)量極小，只有約0.511MeV/C2（約9.109×10?31千克），但當(dāng)它以極高的速度圍繞原子核運動時，由于電場偏轉(zhuǎn)也會對外釋放出能量，這個能量以光子的形式向外發(fā)射。當(dāng)電子的能量減少，它的軌道就會降低，角動量也將發(fā)生細(xì)微變化。反過來，當(dāng)電子與外來光子發(fā)生碰撞時，光子會將自己的能量傳遞給電子，這將推高電子的軌道，因此電子會在自己基態(tài)軌道上不停地變化運行軌跡。如果電子獲得的能量足夠大，它會發(fā)生能級躍遷、跳到更高軌道，甚至脫離原子核的束縛變成一顆自由電子。
當(dāng)我們給氫以不同能量，它的電子軌跡就會產(chǎn)生相應(yīng)變化
對于量子物理學(xué)來說，光子實際上是一份一份的能量，它被稱為“光的能量子”。雖然光子兼具粒子的特性，但它不是一個具體的粒子，這有點像“聲子”和“膠子”。目前普遍接受的物理理論暗示或假設(shè)光子是嚴(yán)格無質(zhì)量的，這意味著不存在光子這個“東西”，所以光子的停止質(zhì)量被定義為0。光子一產(chǎn)生就以光速在運動，它是能量，按照愛因斯坦相對論中質(zhì)量與能量的關(guān)系，我們認(rèn)為光子擁有“動質(zhì)量”。
光子沒有靜止質(zhì)量，電子有質(zhì)量
如果光子不是嚴(yán)格無靜止質(zhì)量的粒子，按照相對論，任何有質(zhì)量的物體不會以真正的光速c運動。光子的速度將取決于它的頻率，肯定比光速更低。但相對論不會受到光子質(zhì)量的影響，因為在相對論中所謂的光速c不是是光子移動的實際速度，而是一個自然常數(shù)，它是任何物體在理論上可以在時空中達(dá)到的速度上限。因此在相對論中，光速仍然是時空波紋（引力波和引力子）的速度，但它不是光子的速度。
光子是否擁有靜止質(zhì)量對于麥克斯韋方程和庫侖定律的影響更大，庫侖定律將被迫做出修改，許多我們熟知的物理學(xué)定律也將隨之進行修正。但到目前為止，光子靜止質(zhì)量的問題還在科學(xué)家們不斷地求證之中。
光子的波屬性
雖然像所有的基本粒子一樣，光子表現(xiàn)出波粒二重性，兼具波和粒子的雙重特性。但光子的波和量子質(zhì)量是單個現(xiàn)象的兩個可觀察的方面，我們不能機械地描述它。也就是說我們不能說光的能量處于光波前的某些點，也不能在空間定位光量子。
鑒于光子的這些特性，我們明白了，不能將光子與電子相等同，光子不是電子，光子也不會憑空產(chǎn)生出電子。
難道太陽能電池里的電子不是由光子產(chǎn)生的嗎？
光電效應(yīng)不是憑空創(chuàng)造出電子
當(dāng)光照射到任何材料表面時，它會將能量傳遞給目標(biāo)，其中一部分能量會傳遞給電子。電子接收到光的能量會引發(fā)自己的動能變化，從而沖到更高的能級，如果電子吸收到的電子能量不足以使自己擺脫原子，它會釋放一個光子，然后回到自己原來的軌道上；而當(dāng)最外層電子獲得足夠的能量，它會擺脫原子的束縛，變成自由電子。
由此我們可以看出，光電效應(yīng)并不是光子產(chǎn)生了電子，而是電子接收到光的能量，從而使自己變成自由電子，當(dāng)材料中的電勢積聚，就可以產(chǎn)生電流。
光由物質(zhì)的運動產(chǎn)生，電子在其運動過程中由于軌道發(fā)生偏轉(zhuǎn)而對外釋放能量，原子核內(nèi)部基本粒子在運動過程中也會對外釋放能量，這種能量的釋放大多表現(xiàn)為光的發(fā)射。
電子激發(fā)可以產(chǎn)生不同波長的光
光子由物質(zhì)不斷產(chǎn)生，物質(zhì)因為向外釋放能量而使其自身的質(zhì)量產(chǎn)生變化。與此同時，物質(zhì)也在不斷地吸收其同圍的光子，以平衡其質(zhì)量虧損。
根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)的定義，光子沒有靜止質(zhì)量，但光子在以光速運行的過程中擁有動質(zhì)量，這個動質(zhì)量是其本身能量的體現(xiàn)。
電子不會憑空產(chǎn)生也不會憑空消失，電子可能會衰變成伽馬射線光子和能量，但這個過程極其漫長，根據(jù)計算電子的平均壽命將高于6.6×102?年，它也許會比宇宙的壽命更長久。當(dāng)一個電子與一個正電子相遇，它們會發(fā)生湮滅，產(chǎn)生兩個或兩個以上伽馬射線光子和強大能量，這種情況在恒星內(nèi)部經(jīng)常發(fā)生，它是恒星中核聚變的中間過程。
綜上所述，電子與光子是兩種完全不同的東西，電子是物質(zhì)的基本粒子，而光子更多地表現(xiàn)為能量的片段；電子在運動和湮滅過程中可以釋放光子，但光子并不能憑空產(chǎn)生電子，它只能給電子以能量，使其動能發(fā)生改變，甚至脫離原子變成自由電子。
關(guān)于光子與電子，你明白了嗎？
