问题

为什么电子不能移到物体外部?

回答
这个问题问得好,其实很多人都会好奇,为什么我们看不见的电子,有时候却能“跑”出来,比如静电,但它们又不像是水一样,可以随意从一个物体流到另一个。这背后涉及到一些挺核心的物理概念,我尽量说得明白点,不那么“机器”。

首先,咱们得明白电子到底是什么。电子不是一个小小的、实实在在的球,它更像是一种“概率云”,或者说是一种能量的分布。我们说一个原子里有电子,其实是说在原子核周围的某个区域,电子出现的可能性很大。它有质量,也有负电荷。

核心原因一:束缚力(库仑力)

最根本的原因是,在一个完整的、电中性的原子里,带正电的原子核和带负电的电子之间存在着一种强大的吸引力,叫做库仑力。你可以想象成它们之间有一根看不见的、非常结实的橡皮筋。原子核的质子带正电,电子带负电,正负相吸,把电子牢牢地“绑”在原子核周围。

这种吸引力有多大呢?根据库仑定律,电荷之间的力与电荷量的乘积成正比,与它们之间距离的平方成反比。原子核的质量比电子大得多,但电子的电荷量也足够大,而且在原子核这个非常小的空间尺度内,这个力就显得非常强劲。

所以,一个孤立的、处于稳定状态的电子,是被这个强大的库仑力“抓住”的。它不像一个随便能丢出去的小石子,而是像被绑在弹簧上的一颗小珠子,要想让它挣脱,需要非常大的能量。

核心原因二:能量状态与量子化

更深层次的原因在于,电子在原子中的存在方式是量子化的。这意味着电子只能处于原子核周围特定的能量“轨道”上,而不是可以随意在任何能量状态下存在。你可以理解为,电子只能待在特定的“台阶”上,而不能停在两个台阶之间的“斜坡”上。

每一个“轨道”都有一个特定的能量值。当电子处于最低能量的轨道时,它就处于基态。要让电子“离开”这个原子,它需要获得足够的能量,从它当前所在的轨道“跃迁”到更高的能量轨道,甚至要完全摆脱原子核的束缚,达到一个自由电子的状态。

这个“摆脱束缚”的能量,我们称之为电离能。不同元素的电离能是不一样的。一般来说,越靠近原子核、能量越低的电子,需要越大的能量才能被电离出去。

那么,为什么我们有时候会看到电子“移出”物体?

这并不是说电子可以随意地从原子里“蹦”出来,而是说在特定的条件下,电子获得了足够的能量,能够克服原子核的束缚,甚至克服它在整个物体内部的束缚,从而“跑”到物体外面。

静电: 比如摩擦起电。当你摩擦两个物体时,一些电子会从一个物体转移到另一个物体。这是因为摩擦提供了足够的能量,让一些束缚在物体表面、能量相对较高的电子获得了克服束缚的能力。但这些电子并非“从原子内部”被强行拽出,而是原来就比较“边缘”的、更容易被激发的电子。
导电: 在金属导体中,存在着一些“自由电子”。这些电子不像原子中的电子那样被某个特定的原子核束缚,而是可以在整个金属晶格中自由移动。它们就像是在一个非常大的“停车场”里自由活动的汽车,而不是被固定在某个车位上的。这是金属的特殊结构决定的。当有电压(电场)作用时,这些自由电子就会在电场力的作用下定向移动,形成电流。
高温或高能辐射: 极高的温度会使原子剧烈振动,一些电子可能会获得足够的动能来摆脱束缚。同样,高能的光子(如X射线或紫外线)也可以将电子“打”出原子。

总结一下:

电子不能随意地从物体外部“移入”或“移出”,根本原因在于:

1. 原子核的强大吸引力(库仑力): 电子被牢牢地吸附在原子核周围。
2. 量子化的能量状态: 电子只能存在于特定的能量轨道,需要克服电离能才能完全脱离原子。

只有在获得了足够外部能量(比如摩擦、电压、高温、高能辐射等)的情况下,一些电子才有可能克服这些束缚,实现所谓的“转移”或“移出”。而且,即使是转移,也通常是我们说的“自由电子”的移动,或者是由更外部的力量(如电场)推动的。

所以,电子不是一种可以随意流动的水滴,它更像是一种被牢牢固定在特定“能量容器”里的东西,只有当容器被破坏或者能量足够高时,它才有可能“溢出”。

希望我这么解释,你觉得不那么“AI”了,也更清楚一些。

网友意见

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这是一个非常不好的问题。

首先,电子非常容易被弄到物体外部,三岁小孩就能做到,但一般不是「移到」外部,是很快哦,跑或飞那种。其次,问题描述中基本概念太混乱了,稍微啰嗦几句。

带电物体同种电荷相互排斥会到物体表面

这句话非常粗糙。第一,如果其中的两个「电」字,多少含有一点「电子」的意思,就应该明白平时我们遇到的任何物体都含有无数电子(即不存在不带电子的物体),但不是任何物体都有确定的通常意义的表面。第二,电荷与电子是完全不同的物理概念,不能混用。第三,电荷并非总是因相互排斥来到物体表面,电子却经常以相互吸引从外面回到物体表面,但不会待在那里不动。

但是为什么不会流到物体外面呢

想当然的问题。电子可以十分容易地离开物体(采用光照、加热、电磁场等手段),例如白炽灯亮的时候,很多电子离开钨丝表面在玻璃泡里疯跑,谁跑累了再回去换一个队友接着跑,不会发生踩踏事故。对这些电子稍加控制或引导即可使其永不回来;当然物体也很容易从周边获得电子,同样有无数例子,时时刻刻在我们周围发生着。

是因为外面的电阻太大

电阻是阻碍电流运动的宏观物理概念,与电子是否容易来去物体表面没有关系。电阻很大(例如比空气电阻大)的物体也可以从其内部移出电子并跑到外部到渺无踪迹。

还是因为物体原子核的吸引力?

物体没有原子核(严格讲是有很多很多原子核),原子才有(但物体中的绝大多数原子核是不搭理表面电子的,也不吸引也不排斥)。原子核对电子的束缚说大不大说小也不小。以目前中学物理和大学普通物理里面原子模型而论,可以想象一个最简单的情况:假设氢原子的原子核有乒乓球大小(不考虑质量),此刻其核外那个小电子球只有不到一微米大,并随机出现在乒乓球周围一公里球形空间的任何一个地方,但很难靠近乒乓球,也不会跑到一公里之外。这就是原子核与电子的关系,不即不离,若隐若现。

显然,想弄走一部分核外电子是非常容易的。只不过从物体层面看,人类并不能确定移走的那些电子到底是哪个原子的哪些电子以及有没有或哪些电子过来补位。

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空气干燥的时候, 您走在地毯上,

当您想要按电梯按钮的时候, “啪”的一声电得您一哆嗦。

这不就是电子从地毯移到您身上了嘛。





某些材料之间的相互摩擦可以转移负电荷,或者说电子。

当你用衣服摩擦气球并使其粘在墙上时,你在气球的表面增加了多余的电子(负电)。墙壁现在比气球带正电。当两者接触时,气球就会粘住墙壁(乳胶漆)。



闪电,也许是最普遍担心的电荷转移形式,是云层内电荷分离后的静态放电。

尽管通常被认为是液态水和冰粒子的运动,

但云中电荷极化的确切机制并没有被科学家完全认同。


静电是由相对不导电的绝缘体的分子结构不平衡产生的,如塑料、纸张、玻璃、陶瓷和其他非导电材料。


众所周知,所有物质都是由原子组成的。一个平衡的原子包含存在于原子核中的正电荷。等量的负电荷以电子的形式围绕着这个原子核运行。这两种电荷是相等的,因此,平衡原子的整体电荷是零。然而,如果这种配置被打乱,从这个原子中移走几个电子,我们最终会在原子核中产生更大的正电荷,而电子则不足,这就使你的整体电荷处于正方向。相反,如果我们增加几个额外的电子,我们的整体电荷是负的,这是因为我们现在有过量的电子,净电荷现在是负的。

一些材料如玻璃、头发和尼龙倾向于放弃电子,成为正电荷。 其他材料如聚丙烯、乙烯基(PVC)、硅、特氟隆、硅酮倾向于收集电子并成为负电荷。


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       https://en.wikipedia.org/wiki/Thermionic_emission https://en.wikipedia.org/wiki/Field_electron_emission https://en.wikipedia.org/wiki/Maxwell%E2%80%93Boltzmann_distribution https://en.wikipedia.org/wiki/Photoelectric_effect http://www.uefap.com/reading/exercise/texts/matter.htm https://courses.lumenlearning.com/boundless-chemistry/chapter/band-theory-of-electrical-conductivity/ https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/ev-electron https://www.mitchmedical.us/analytical-chemistry/e-photoelectron-spectra-of-solids.html Photoelectron Spectra of Solids  Last Updated on Mon, 17 Sep 2018 | Analytical Chemistry https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5144721 https://www.globalsino.com/EM/page4799.html https://bklein.ece.gatech.edu/laser-photonics/electron-states-in-atoms/      



【未完待续】

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这是一个非常好的问题,这个问题的答案并不在电磁学和电动力学中,而在固体物理中。这里做一下简单的回答,欢迎聪明的读者评论补充。

电荷是有可能流到物体外面的,各种各样的电容器击穿和放电现象就是电荷/电子脱离固体的束缚进入空气的例子。而另一些不会流出的例子中,比如中学物理实验里常见的静电计,它的电荷不会脱离固体还是因为固体带的电荷不够多,固体表面的电场不够强,电子无法脱离固体的束缚。

总的来说,经典电磁学的重要近似是认为电荷均匀分布,这个近似一定会导出固体流失电荷可以降低总能量这个结论(直观上看电荷更分散,系统总能量就会降低)。而在固体物理中,电荷都点状地分布在电子和原子核上,这颠覆了经典电磁学所使用的近似。

在固体物理的视角下看,在大多数固体中,电子之间的有效相互库伦排斥可以是很弱的(所以自由电子气理论和能带理论是好的近似),甚至是相互吸引的(来源于电子-晶格-电子耦合),这也是库柏对的一种成因。电子基本只受晶格的吸引,所以就算固体带着负电荷,总电子比总质子还要多,固体也依然能束缚住这些多余的电子。这也就是逸出功的来源之一。

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