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为了庆祝2025年国际量子科学技术年，我们必须回顾当前航空公司的奥秘最终如何透露——，从而为量子时代奠定了基础。很难想象一个没有电子产品的世界。没有电子产品，就不会有电视，广播和互联网。不会有智能手机，计算机和电力；更不用说化学物质，食物，生命甚至原子了。当然，电子从头到尾都大量存在。自从大爆炸的开始以来，它们就已经散布在宇宙的每个角落。但是，尽管电子的存在无处不在，但直到20世纪，人类对它们的理解才能达到。以前，人们仅掌握了含糊的线索，涉及静电和电流等奇异现象的原因。对这些线索的追求持续了数百年。但是，一旦捕获了“猎物”并确定了身份，电子产品就会为现代技术赋予魔力，并诞生了新的科学领域。它是电子将科学家引入量子力学的狂野而陌生的世界。这个领域仍然是百年纪念。对电子行为及其量子能力的理解以一种无法想象的方式改变了整个人类文明。古希腊哲学家确实对隐藏在物质互动中的奥秘有一些看法。众所周知，在被丝绸或动物皮肤擦除后，琥珀可以吸引小物体。这就是我们今天所说的静电。米利特斯（Miletus）的创始人泰勒斯（Thales）在公元前600年左右活跃，甚至推测，琥珀的“魔术”与磁铁矿对铁的吸引力之间可能有一些共同点。图像来源：NTV/shutterstock古人发现，摩擦琥珀后，它能够吸引小小的轻质物体，例如图片中的掉落纸五彩纸屑。但是，这种权力的原则—— ——已经混淆了数千年。从远古时代到中世纪，相关研究的进展很小。然而，在16世纪末的英格兰，伊丽莎白女王的医生威廉·吉尔伯特（William Gilbert）注意到，丝绸染色的玻璃棒也对琥珀产生了类似的吸引力。吉尔伯特（Gilbert）称这些杆为“电尸体”或“带电的身体”，其名字来自希腊Elektron（意为“琥珀”）。在18世纪中叶，本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）更深入地探索了电力之谜。他以证明闪电是一种电现象而闻名，同时提出了许多基本概念，并为后来的电气研究奠定了术语基础。 “他介绍了诸如'添加'和'减法'，'正面'和'否定'，“电荷”和“电池”之类的技术术语，以对电气科学的科学讨论。”这是科学史学家I.B.的评论。科恩。富兰克林坚信，有一个“电液” ——或“电气火”，与其他物质无关。例如，用手擦玻璃不会“创造”电火。取而代之的是，在摩擦过程中，手中少量的“电火”被转移到玻璃杯上。换句话说，格拉斯带有富兰克林所说的“正电荷”，而丝绸由于电力损失而表现出“负电荷”。玻璃获得的电力被证明是电子。 （不幸的是，后来的术语同意将电子定义为负电荷，但这不是富兰克林的错。）富兰克林推测他所谓的电气火或电液“由极端微妙的颗粒组成”，并且可以“轻松渗透普通物质”。富兰克林指出，对于任何怀疑电火能力穿透生物的能力的人：“一个充满活力的大玻璃罐产生的电击……这可能使他说服了他。

图片来源：科学历史图像/阿拉米库存照片在18世纪，本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）通过一系列电气实验推导出来，可以在物体之间传递某种“当前流体”。后来，人们发现，这种“当前流体”是电子。在19世纪，电气研究蓬勃发展，电气研究蓬勃发展，人们最终揭示了电力和磁台上的电源，从而启动了电视和启用范围，从而启动了射击，从而启动了射击，从而引发了射击的范围。电磁波。但是，富兰克式的“电力”仍然是尘土飞扬的，当时，当电池的电线连接到封闭的电极时，含有低压气体的玻璃管可以进行电力。表明射线像一种光线一样，他发现磁场可以偏转射线，从而消除了它们是光线的可能性，从那时起，欧洲最高的物理学家就已经在19世纪末期互动了，欧洲的物理学是对proce射线的竞争。与原子的指控相比，这是英国物理学家J.J.汤森（J.J. Thomson）（J.J. Thomson。与一定的质量相对应，他测量的质量比质量的质量比例——“电原子”的基本单位是由质量不到一千分之一的氢气的粒子。这是更令人信服的是，汤姆森还证明了粒子的质量是一致的，无论在此之后，填充的气体是什么，没有人能拒绝粒子较小，或者至少是原子的颗粒。在电场和磁场中生成的射线（在阴极中产生）。最初将这种粒子命名为“颗粒”的粒子。发现X射线和放射性活动，这进一步加速了科学家对揭示原子内部结构的狂热探索。

一个突出的问题是：如何在正常情况下在电气中性的原子中适应带电的颗粒？要中和电子的负电荷，原子内必须有一些正电荷，但是没人知道它们如何共存。汤姆森（Thomson）提出了“葡萄干布丁”模型：带负电荷的电子被嵌入为带正电荷的“布丁”中，就像布丁中的葡萄干一样。然而，这一假设缺乏实验证据，并在1911年被欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）推翻。——他宣布发现了核。原子内部有一个很小的，带积极的核心，例如圆形剧场中心的舞台，而充电的电子被放在外围的“廉价座椅”上。卢瑟福（Rutherford）对核心的发现震惊了整个物理社区，结果几乎令人难以置信，即使本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）活着，也会感到困惑。因为根据当时有关电荷的所有知识，带负电荷的电子应在很短的时间内滚动到带正电荷的核中，并在此过程中释放电磁能。然而，不久之后，丹麦物理学家尼尔斯·博尔（Niels Bohr）似乎从“死亡螺旋”中挽救了电子量子，并使用全新的量子物理规则。在Bohr的原子模型中，电子只能在某些特定轨道中绕核周围绕，这可以防止由于能量损失而掉入细胞核。 (Electronics release or absorb energy only when they transition from one allowable orbit to another.) Image source《原子与玻尔原子结构理论》 , In 1923, Danish physicist Niels Bohr attempted to explain the role of electrons in atomic structure using a set of orbits orbits around the central nucleus, as shown in this old-fashioned illustration depicting the elements of radium.随着一个世纪前提出的量子力学，这种精确的轨道模型被电子能量水平的概念所取代，电子不再具有清晰的路径。玻尔清楚地知道他的想法只是初步。他的数学模型仅适用于最简单的氢原子。 1925年，德国物理学家Werner Heisenberg率先提出了一个更复杂的理论框架，标志着量子力学正式成为描述电子行为的“规则书”。不久之后，化学家开始使用量子数学理论来解释电子如何在原子之间形成化学键，从而形成化合物。但是电子产品带来的惊喜还远远没有结束。甚至在海森伯格建立一个将电子视为颗粒的原子模型之前，法国物理学家路易斯·德·布罗格利（Louis de Broglie）提出，电子实际上可能以波浪形式穿越太空。海森伯格（Heisenberg）发表研究结果不久，奥地利物理学家埃文·施罗丁（ErwinSchrdinger）构建了电子波模型。他的数学波动理论与海森堡的粒子理论产生了相同的预测结果。实验验证很快就会出现。贝尔实验室的克林顿·戴维森（Clinton Davisson）及其同事以及苏格兰阿伯丁大学的乔治·汤姆森（George Thomson）独立完成了实验：他们发现，当电子束穿过晶体时，电子束会偏转并形成衍射模式，这是波动现象的经典象征。 1937年，戴维森（Davidson）和乔治·汤姆森（George Thomson）为这一发现赢得了诺贝尔物理奖。这已成为物理史上一个有趣的故事：J.J。汤姆森（Thomson）因证明电子为颗粒而获得了1906年诺贝尔奖，他的儿子乔治（George）因证明电子为海浪而获得了诺贝尔奖。为了解决这一矛盾，Bohr在1927年提出了一种解决方案：他认为波动和颗粒都是正确的，但只能适合彼此不兼容的实验设计。

换句话说，您可以设计一个实验来观察电子的波动，也可以设计另一个实验以显示电子的粒子性质，但是不可能设计一个揭示这两者的实验。 Bohr的观点被称为“互补性”，当时暂时平静了争议，但它也引发了一个世纪的辩论：应该如何用数学语言解释量子力学。尽管关于其性质的讨论仍在继续，但量子物理学最终发展成为基于电子的尖端技术引擎。从早期笨重的电子管，到整齐的晶体管到微型综合电路，电子电路的连续微型化在社会层面带来了深刻的变化，并极大地促进了人类对自然世界的理解。电子的行为渗透到各种自然级别——从单个原子的化学特性到生物大分子的复杂结构。对电子设备的了解已引起了可设计的材料，消费电子设备和强大的计算能力。从电子邮件到电子显微镜，从太阳能电池到激光，电子都是建立现代世界的关键要素。正如本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）曾经预测的那样，他所谓的“电力火”最终将给人类带来丰厚的回报：“我们不完全了解这种电火的有益用途，”他写道：“但可以肯定的是，它们确实存在并且将非常重要。”作者：汤姆·西格弗里德（Tom Siegfried）翻译：Meyare评论：机器第7号原始链接：追求电流体：科学家如何发现电子

翻译内容仅代表作者的观点，并不代表中国科学院物理学研究所的立场

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