电离的实质 must read , much like mkt

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电离的实质2009-11-26 09:10
尽管在众多的自然或人工的现象中都存在着中性分子（原子）电离的过程，但究其本质却只有一个核心过程——电子“吞食”光子。不过，再细分一些，还可划分出“电子遭受撞击”这一类，它可以算是一种隐蔽的吞食光子的过程。

电子是喜爱吞食光子的，但也并非毫无限制。如果光子太小太少或者不合适，那电子就不会理睬它。原子把电子束缚在井然有序的“楼层”中，倘若路过的光子大小（指其能量，不是其尺度）合适，那电子在吞食光子之后会体力突增——一下子有了一个很确定的能量增量（大小就等于所吃光子的能量），使它可以跳跃到更高的、原来是空着的某个楼层中。倘若光子不合适——电子突增的体力只可能让它跳到某两个相邻楼层之间的某个地方，那么电子就不张口吞吃，也就不真的向上跳跃了。假如光子足够大，以至于电子吞吃光子后能够一跃冲破顶楼而完全摆脱原子的束缚，那么这样的光子就总是合适的。只要它经过身旁，电子就力图一口吞掉它，让自己获得解放，成为自由电子。

紫外光光子正是在一般情况下都能使电子自由的最佳“食品”，在质量上，这种光子的大小约是电子的十万分之一。不过，就算是“巨大”的光子，电子也要吃。比如，放射性物质释放以及宇宙射线中也存在的伽马光子就可能比电子还要重上好多倍，吃了它，实在太撑，于是，电子就立马又吐出一个质量稍小的伽马光子（此即著名的康普顿散射）。

极小的光子，电子也并非全都拒吃，只要数量够多，电子也是愿意如蓝鲸食磷虾那样开口的。像碳毛刷尖端处强电场导致的放电就属此类。导体中原本就有大量的不被单个原子束缚的自由电子，但它们仍然被整块导体中的所有原子束缚在导体内部。如果导体相对于大地有很高的负电压，再加上导体表面有很尖锐的突起，那电子就会十分密集地拥挤到那个尖端，并在那里形成极强的电场。强电场由多种虚光子组成，占绝大多数的是那些极其微小的光子，但它们的数量也极其庞大。当电子进食足量后，就攒够了体力，可以飞出导体，成为更加自由的电子了。另外，在尖端附近强电场中的空气分子里的电子也有可能吞食了足够的小光子而成为自由电子。

生命活动中的相关过程就复杂得多了，比如光合作用引发的电离大致可以这样理解：两种叶绿素捕获大约是红光和蓝光的两种光子（叶绿素不要绿光光子，所以植物的叶片大都呈现绿色）将其能量“转移”给水分子中氢原子里的电子，使水分子裂解再合成氧分子（释放到大气中），同时产生高能氢原子（因其中的电子跃迁至高楼层，从而提升了整个原子的能量）。高能氢一般要参与随后的把二氧化碳改造成糖的一系列生化反应，但它也可能在还未来得及参与后续反应之前，就又获得了一些叶绿素转移来的能量，导致其中的电子终于能冲破楼顶，获得自由。

除了光合作用，叶片还可以通过蒸腾作用来产生电离，这就涉及到第二种机制——碰撞。不妨把液态水中的水分子想象成无数以各种大小各种方向的速度四处乱飞的十分坚固的战斗机。它们经常发生碰撞，但通常都不会机毁人亡，只是相互弹开而已。不过，时而也会相撞得太猛烈，以至于高速反弹开的同时，坚固机壳上也有部分零件脱落并飞散出去。如果这种剧烈碰撞发生在液面附近，那高速反弹的水分子就可能摆脱液面的束缚，冲出去成为气态水蒸气中的一员，而飞散的零件就是它的一个电子。也就是说，蒸发（水分子从液面飞出）的同时可以伴随着电离（电子从水分子里飞出）。像瀑布、海浪等这类的现象中的电离是类似的，只不过，这时是较大团的水体因内部发生的众多碰撞而撕裂成许多小水滴，不像蒸发那样是分裂出一个个水分子罢了。水团裂解成水滴的过程也同样会伴以电子的飞散——电离。

为什么说电子遭受撞击而飞出原子这一电离机制在本质上仍归于“电子吞食光子”呢？这是因为，分子原子的碰撞其实就是这个原子中的某些外围电子与那个原子中的某些电子的相互碰撞，而电子间是靠电磁斥力来完成碰撞的。电磁力是什么呢？在量子力学（它是现代物理的两大基石之一，另一基石是相对论）看来，电磁力无非就是电荷间彼此交换虚光子而已。虚光子不像真实光子那样可以长久存在，而是只能生存片刻，它们不断地产生又消亡。当两电子相互接近时，它们向对方喷吐出不同大小的各种虚光子，同时又吞食来自对方和自己刚吐出的一部分虚光子，这样的“交换”就可以迫使两个电子转而相互远离，从而在我们的眼中展现出碰撞的图景。

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