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电子

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电子
克鲁克斯管实验可以显示出电子的粒子性质。如图所示,从左往右直线移动的电子束,遇到一个十字形标靶,从而在真空管右面底端显示出十字形阴影。
组成 基本粒子
费米子
第一代
基本相互作用 引力电磁力弱核力
符号 e
反粒子 正电子
发现 约瑟夫·汤姆孙(1897年)
质量

9.109 383 56(11)×10-31 kg[1]
5.485 799 090 70(16)×10-4 amu[1]

0.510 998 9461(31) MeV/c2[1]
平均寿命 稳定
电荷 −1 e[注 1]
-1.602 176 6208(98)×10-19 C[1]
磁矩 −1.001 159 652 180 91(26) μB [1]
自旋 12

电子是一种带有负电亚原子粒子,通常标记为 。电子是第一代轻子,以重力电磁力弱核力与其它粒子相互作用。轻子是构成物质的基本粒子之一,无法被分解为更小的粒子。电子带有1/2自旋,是一种费米子,根据泡利不相容原理,任何两个电子都不能处于同样的量子态。电子的反粒子正电子,其质量、自旋、带电量大小都与电子相同,但是电量正负性与电子相反。电子与正电子会因碰撞而互相湮灭,并在这过程中,生成一对以上的光子

由电子与中子质子所组成的原子,是物质的基本单位。相对于中子和质子所组成的原子核,电子的质量显得极小。质子的质量大约是电子质量的1836倍。当原子的电子数与质子数不等时,则该原子会带电;称该带电原子为离子。带正电的离子叫阳离子,其电子数小于质子数;带负电的离子叫阴离子,其电子数大于质子数。若物体的电子数不等于质子数,导致正负电量不平衡时,则称该物体带静电。当正负电量平衡时,称物体的电性为电中性。静电在日常生活中有很多用途,例如,静电油漆系统能够将瓷漆英语enamel paint聚氨酯漆,均匀地喷洒于物品表面。

电子与质子之间的库仑力能促使电子被束缚于原子内部,因此为束缚电子。两个以上的原子,会交换或分享它们的束缚电子,这是化学键的主要成因。当电子不再被束缚于原子内部,而能够自由移动于原子以外的空间时,则称此电子为自由电子。多个自由电子共同移动所产生的净流动现象称为电流。在许多物理现象里,像电传导磁性热传导,电子都扮演了重要角色。移动的电子会产生磁场,也会被外磁场偏转。呈加速度运动的电子会产生电磁辐射

根据大爆炸理论,宇宙现存的电子大部分都是生成于大爆炸事件。但也有一小部分是因为放射性物质的β衰变或高能量碰撞而生成的。例如,当宇宙线进入大气层时遇到的碰撞。在另一方面,许多电子会因为与正电子相碰撞而互相湮灭,或者,会在恒星内部制造新原子核恒星核合成过程中被吸收。

在实验室里,像四极离子阱一类的精密尖端仪器,可以长时间束缚电子,以供观察和测量。大型托卡马克设施,像国际热核聚变实验反应堆,利用磁场来约束住高热等离子体中的电子和离子,藉以实现受控核聚变无线电望远镜可以用来侦测外层空间的电子等离子体。

电子被广泛应用于电子束焊接阴极射线管电子显微镜放射线治疗镭射粒子加速器等领域。

历史

发现电现象

很早以前,古希腊人就已经知道,琥珀古希腊语ήλεκτρον拥有一种奇特的性质:被摩擦之后的琥珀可以吸引轻小物体[2]:7。大约2500年前,古希腊哲学家泰勒斯声称他曾经见证到琥珀的这种奇特的性质[注 2][4][3]:1[5]:50

东汉时期(约公元一世纪),王充所著书籍《论衡》中有关于静电的记载:“顿牟掇芥”[6]。顿牟就是琥珀,当琥珀经过摩擦之后,就会具有吸引像草芥一类轻小物体的能力[7]。公元三世纪,晋朝张华的《博物志》第九卷中也有记载:“今人梳头著髻时,有随梳解结有光者,亦有吒声”。这句子的意思是,当梳理头发解开发结时,因摩擦起电而发出的闪光和劈啪声音[8]

吉尔伯特发明的静电验电器是一种可以侦测静电电荷的验电器。当带电物体接近金属指针的尖端时,因为静电感应,异性电荷会移动至指针的尖端,指针与带电物体会互相吸引,从而使得指针转向带电物体。
吉尔伯特发明的静电验电器是一种可以侦测静电电荷的验电器。当带电物体接近金属指针的尖端时,因为静电感应,异性电荷会移动至指针的尖端,指针与带电物体会互相吸引,从而使得指针转向带电物体。

1600年,英国医生威廉·吉尔伯特指出,琥珀并非唯一经过摩擦时会产生静电的物质,他又区分出电与磁不同的属性[2]:29。他撰写了一本阐述电与磁的科学著作《论磁石英语De Magnete》,从而开启了现代电学与磁学[2]:8。吉尔伯特创建了新拉丁语的术语“electrica”(源自于“ήλεκτρον”,“ēlektron”,希腊文的“琥珀”),英文翻译为“electrics”,意指如同琥珀一般当摩擦后会吸引微小物体的物质。这拉丁术语后来衍生出电的英文术语“electricity”等[9]:302[注 3]

正负电的假想与发现

生于十八世纪,富兰克林对于电学贡献良多。
生于十八世纪,富兰克林对于电学贡献良多。

查尔斯·笃费英语Charles Du Fay做实验于1733年发现,假若被丝绸摩擦后的玻璃对于带电的金叶片呈现出排斥的现象,则被羊毛摩擦后的琥珀会对这带电的金叶片呈现出吸引的现象。他从这结果与很多其它类似结果推断,大自然有两种不同的“电”,他称由丝绸摩擦玻璃生成的电为玻璃电英语vitreous electricity,由羊毛摩擦琥珀生成的电为树脂电英语resinous electricity[9]:484-5通过摩擦的动作可以将这两种电分离, 通过合并的动作可以将这两种电中和。这双流体理论对于电现象首次给出解释。稍后,美国科学家埃柏奈泽·肯纳斯理英语Ebenezer Kinnersley也独立获得相同的结论。[11]:118

1747年,美国学者本杰明·富兰克林做电实验发现,当摩擦玻璃时,玻璃会获得一些电,而摩擦者则会失去一些电,在摩擦的过程中,并不会生成任何电,只会从摩擦者转移一些电到玻璃,整个孤立系统的总电量不会改变。为了解释类似这般的电现象,他想出一种单流体理论,其表明,电现象是源自于一种既看不见又无重量的流体所产生的作用,这种电流体弥漫于物体里,富兰克林认为,电流体是由极奇奥妙的粒子所组成,这些粒子彼此之间相互排斥,但会被其它物质强烈吸引,因此,物质能像海绵一般地吸引与储存电流体。同时期,英国学者威廉·沃森也独立给出类似的单流体理论。[2]:42-47

十九世纪初期,约翰·道尔顿发表现代原子论。同时期,威廉·普罗特英语William Prout主张,每一种原子都是由单位粒子组成,而这单位粒子就是氢原子。然而,学者做实验获得很多不符合普罗特假定英语Prout’s hypothesis的结果,例如,氯元素原子量被测得为35.5个氢原子量。之后,很多种描述原子内部结构的模型也陆续出现,其中一些模型是基于假想的带电粒子。[12]:2-3在1838年至1851年期间,英国医生理查·莱敏英语Richard Laming猜测,大自然可能存在带有单位电荷的亚原子粒子,而原子则是由核心物质与这种以同心圆壳的样式一层一层围绕在四周的带电粒子所组成。[13]1871年,德国物理学者威廉·韦伯建议,原子是由一个带正电的亚原子粒子与一个带负电的核心物质所组成.质量非常微小的亚原子粒子环绕着质量非常大的核心物质不停地转动,两个物体的带电量相同。[12]:4-53年后,爱尔兰物理学者乔治·斯桐尼英语George Stoney从研究电解现象获得结论,电解物质所涉及的电量是以离散的形式呈现,这意味着一种基本电量表现于大自然的物理行为之中,这基本电量是氢离子所带的电量,与电解物质的种类无关。他又于1891年提议,将这基本电量命名为“electron ”(电子)。利用法拉第电解定律,他估算出基本电量的数值,其为当今数值的1/16。[14]:37-38[15]:269斯桐尼认为,电子永久地附着于原子,无法被移除,它会伴随原子的每一个化学键。1881年,德国物理学者赫尔曼·冯·亥姆霍兹强调,从法拉第电解定律的结果可以总结,不论是正电或是负电,它们的电量都可被分割至基本电量,其物理行为如同带电基础粒子一般。[16]:70-74

发现阴极射线

在十九世纪,多位物理学者对于阴极射线的实验与理论研究为后来发现电子奠定了关键基础。[16]:951838年,麦可·法拉第做实验研究在玻璃管里两个电极之间的稀薄气体的放电现象,他发现,在阳极与阴极附近都存在着稳定的辉光区域,而在两个辉光区域之间又有一段黑暗区域,后来命名为法拉第暗空间英语Faraday dark space[17]:49法拉第认为,这简单与明确的放电现象很值得做进一步研究。然而,很久一段时期,物理学者研究真空高压放电现象所需的实验条件都无法被满足。[2]:391-3921850年代,海因里希·卢木考夫英语Heinrich Ruhmkorff制成可提供高压电流的卢木考夫感应圈英语induction coil,1855年,海因里希·盖斯勒英语Heinrich Geissler研发出高功能水银气泵与改良的放电管,这时,物理学者才有功能足够精良的实验器材来研究真空高压放电现象。[17]:51-52

尤利乌斯·普吕克
尤利乌斯·普吕克

1859年,德国物理学者尤利乌斯·普吕克观测到,当管内部气体足够稀薄时,在阴极附近的管壁会出现绿色磷光,施加磁场可以改变磷光的位置,因此,他分辨出这种放电与普通放电不同,他推断绿色磷光是出自于电流撞击于玻璃所产生的现象。[18]:104-105普吕克的学生约翰·希托夫英语Johann Hittorf于1869年发现,假设在阴极与磷光之间置入一块物体,则辉光会被限制在阴极与物体之间,玻璃管壁会因为物体的遮挡而在磷光曲面内出现一片阴影,这意味着辉光是由只会以直线传播的射线形成,并且在管壁造成磷光。1876年,德国物理学者欧根·戈尔德斯坦发现,辉光不是朝着所有方向发射,而是朝着垂直于阴极表面的方向发射,这与坎德拉的发射方式大不相同,坎德拉是朝着所有方向发射。[17]:56-57戈尔德斯坦称这辉光为阴极射线,他主张,阴极射线是某种传播于以太电磁波,因为,如同紫外线一般,阴极射线以直线移动,并且当撞击时会造成磷光。[16]:95-96

克伦威尔·瓦理英语Cromwell Varley在1871年提议,阴极射线是由阴极排出的粒子所组成,由于会被磁场影响,这些粒子带有负电。1879年,威廉·克鲁克斯建议,因撞击阴极而获得负电的气体粒子形成了阴极射线,由于彼此互相排斥,所以它们的发射方向垂直于阴极,又由于带有负电,所以它们的轨迹可以被磁场偏转。[2]:393-394这论述遭到了海因里希·赫兹与戈尔德斯坦等物理学者的反对,他们声明,阴极射线是传播于以太的波动。1883年,赫兹做实验发现,阴极射线似乎不会生成任何电场力与磁场力,也不会被电场影响。赫兹在1892年又发现,阴极射线可以穿过薄金属箔。波动派借此声称,既然阴极射线可以穿过薄金属箔,而普通光线却无法穿过,可想而知的是,粒子应该也无法穿过,所以,阴极射线应该是波动。约瑟夫·汤姆孙在1893年反驳,被阴极射线的粒子撞击的薄金属箔或许已被激发为阴极射线的发射源。[2]:396[16]:95-96

发现电子

约瑟夫·汤姆孙,电子的发现者。
约瑟夫·汤姆孙,电子的发现者。

剑桥大学卡文迪许实验室约瑟夫·汤姆孙于1897年重做赫兹的1883年实验。使用真空度更高的真空管和更强的电场,他观察出阴极射线的偏转,并计算出组成阴极射线的粒子的荷质比。由于这数值与阴极物质、放电管内气体无关,汤姆孙推断阴极射线的粒子源自于在阴极附近被强电场分解的气体原子,这粒子为所有物质的组分。由于这数值是电解实验获得的氢离子荷质比的千分之一倍,汤姆孙错误推断,这粒子的质量很小,电荷很大,稍后修正为,粒子的带电量等于电解单位电荷,而质量则为氢原子的千分之一。汤姆孙称这粒子为“微粒”(corpuscle),就是微小粒子的意思。[19]这是为了要与术语“电子”有所区别,在那时期,电子指的仍旧是斯桐尼的基本电量,而不是一种物质。不久之后,乔治·费兹杰罗不同意地表示,阴极射线的粒子实际就是“自由电子”,即没有实体的电荷,他强调,这粒子不是原子的组分,原子是无法分解的,物理学者不应该重蹈炼金术覆辙。后来,由于费兹杰罗、约瑟夫·拉莫尔亨德里克·洛伦兹等人大力推行,学术界选择采用术语“电子”来称呼新发现的粒子。[15]:273[注 4]1899年,汤姆孙实验团队做光电效应实验与热离子发射实验测得于先前阴极射线等同的荷质比,这意味着这些实验所涉及的粒子都是电子。[14]:23由于汤姆孙建议电子为组成物质的基础粒子,并且做实验确切证实他的论述,他被公认为电子的发现者。电子是人类发现的第一种基础粒子[20]:40-43

1896年,法国物理学家亨利·贝克勒尔在进行实验研究硫酸铀酰暴露在太阳时发射辐射的现象时,他发现该物质不需要太阳照射,就会自然发射辐射。这关于放射性物质的实验结果引起许多科学家的兴趣,包括新西兰物理学者欧内斯特·卢瑟福在内,他于1899年发现,按照穿透物质的能力,至少有两种不同的放射线,卢瑟福将较为容易被吸收的放射线取名为α射线,而穿透能力较大的取名为β射线。贝克勒尔于1900年成功使用电场将这两种射线分离。[2]:408-4101902年沃尔特·考夫曼发现,贝塔射线和阴极射线的荷质比相等。这些证据使得物理学者确定贝塔射线就是阴极射线,由此更坚决确认相信电子本为原子的一部分。[21]:87

1898年,汤姆孙做实验发现,假设照射X射线于气体,使用所产生的负离子来将过饱和水蒸气凝结,则可以粗略测量带电水滴的带电量,其与电解实验获得的氢离子带电量大约相等。隔年,他利用光电效应来进行类似实验,仍旧获得同样结果。[14]:23但是这些实验所获得的数值是很多带电水滴的统计平均值,它们并未能证实所有电子的带电量相等。美国物理学家罗伯特·密立根在1909年起完成一系列实验测量电子的带电量。起初,他使用水滴为测量对象,后来,由于油滴的蒸发率较低,他改使用油滴,[14]:23, 61在这些油滴实验里,他仔细地测量,带电油滴在重力与电场的库伦力的双重影响下的悬浮运动。从获得的数据,所有油滴的带电量皆为同一数字的整倍数,因此认定此数值为单一电子的电荷,即基本电荷,并且断定,电的基本结构是自然不可分的基本电荷,而不是多个不同数值的统计平均值,也意味着电的量子化。这实验对于电子的存在给出最为直接与明确的佐证。[22]:196-197俄国物理学者亚伯兰·约费英语Abram Ioffe于1911年利用光电效应,照射紫外线锌金属微粒子来制成带电金属微粒子,然后测量其带电量,他也独立获得同样结果。[23]

原子理论

原子的玻尔模型示意图,显示出以主量子数 
  
    
      
        n
        
        
      
    
    {\displaystyle n\,\!}
  
 标记的三个量子态能级。当一个电子从能级较高的量子态,跃迁至能级较低的量子态时,会发射一个光子;这光子的能量等于两个量子态的能级差额。
原子的玻尔模型示意图,显示出以主量子数 标记的三个量子态能级。当一个电子从能级较高的量子态,跃迁至能级较低的量子态时,会发射一个光子;这光子的能量等于两个量子态的能级差额。

在不同的时代,人们对电子在原子中的存在方式有过各种不同的推测。汤姆孙的梅子布丁模型是比较古早的原子模型,发表于1904年,汤姆孙主张,原子是电子散布于呈球形均匀分布的带正电物质内部,就如同梅子散布于布丁内部一般。由于原子的质量是电子的几千倍,汤姆孙认为,每个质量为m的原子大约含有1000m个电子。为了便于分析,汤姆孙将电子排列成一系列共面同心圆样式,同心圆的半径越大,电子排列的数量越大。当数量超过某阈值,同心圆会变得不稳定,为了维持原子的稳定性,会形成一个新的更大的同心圆,超额电子会移动到新的同心圆,这些超额电子决定了元素的化学性质。[22]:18-22[24]:152

欧内斯特·卢瑟福的指导下,汉斯·盖革欧内斯特·马斯登于1909年做实验照射α粒子于薄金箔纸,这就是著名的卢瑟福散射实验,其展示出α粒子可以被大角度散射,因此彻底推翻了汤姆孙的梅子布丁模型。两年后,卢瑟福设计出卢瑟福模型。在这模型里,原子的中心有一个带正电、带质量的原子核,在原子核的四周是带负电的电子云。从卢瑟福模型,卢瑟福推导出散射公式,其预测与实验结果相符合。然而,在卢瑟福散射实验里,主角是原子核,而电子并不重要,因此卢瑟福不能空口无凭地给出原子的电子组态,也无法用这模型对于化学结合、元素列表、原子光谱给出解释。尽管卢瑟福模型并不完备,它为后来的玻尔模型奠定了良好的基础。[20]:51-53

于1913年,尼尔斯·玻尔提出了玻尔模型。在这模型中,电子稳定运动于原子的特定轨域,其具有特定的能级。距离原子核越远,轨域的能级就越高。当电子从高能级轨域,跃迁到低能级轨域时,它会释出能量。相反的,从低能级轨域跃迁到高能级轨域,则会吸收能量。借着这些量子化轨域,玻尔正确地计算出氢原子光谱。在那时期,玻尔模型的理论基础似乎异乎寻常,很难令人信服,[注 5]但是,它的预测与很多与实验结果相符合。玻尔模型并不能够解释光谱的相对强度,也无法计算出更复杂原子的光谱,这些难题尚待后来量子力学给出合理解释。[20]:53-57

化学里,几个原子怎样结合成为化合物分子在研究物质性质方面是很重要的论题,对于各种不同元素而言,结合能力与结合成果的差异很大,而且与不同元素的原子结构有关。在1897 年,电子的发现首先揭露出原子结构的艰深奥秘。之后,随着描述原子结构的原子模型的改善,关于原子结合的论述也变得越加有条有理,并且经得起越加严格的实验检试。[26]:2-31904年,在汤姆孙提出梅子布丁模型的那年,理查德·阿贝格提议,采用新发现的电子来诠释化合价,其先前的诠释为原子在结合时的化学键数量,新的诠释则为原子在结合时给出或获得的电子数量。1907年,汤姆孙提议,两个原子之间的极性键指的是电子从一个原子转移到另一个原子。1914年,他承认除了极性键以外,还存在有非极性键,并且粗略推测电子与非极性键的关系。[24]:152-153

立方原子模型(英语:cubical atom)。
立方原子模型英语cubical atom

美国物理化学学者吉尔伯特·路易斯于1902年提出立方原子模型。按照这模型,每个电子被排列在立方体的一个定点,而原子核的位置则是在立方体的中心,假若立方体的八个定点都被填满,则会有一个新的更大的同心立方体提供给电子排列。他的模型能够推断出周期表前面十几个元素的电子数量,除了氦元素以外。他的模型还可以解释极性化合物(离子化合物)的形成机制,但无法解释非极性化合物的形成机制。直到1916年,他才发表这些早期论述,他并且提议,结合成分子的两个原子之间的非极性键是一对共用电子。这非极性键被称为共价键。这一对共用电子称为“电子对”。他的提议对于现代化学产生重大影响。基本而言,极性键与非极性键的物理行为都相同:原子与原子共同分享电子。[25]:206-2081919年,欧文·朗缪尔将路易斯的立方形原子模型加以改良延伸,他提议,所有电子都分布于一层层同心的(接近同心的)、等厚度的球形壳。他又将每个球形壳分为几个细胞,每一个细胞都占有同样面积的球形壳,都含有最多一对电子。朗缪尔的模型能够解释那时期所有已知元素的化学性质。应用埃尔温·薛定谔新提出的量子力学理论与沃尔夫冈·泡利泡利不相容原理瓦尔特·海特勒弗里茨·伦敦于1927年对于最简单的案例,氢分子的共价键形成机制,给出合理解释。[24]:155-158[25]:228

为了解释碱金属光谱的双重线英语Doublet state结构,1924年,奥地利物理学者沃尔夫冈·泡利提议特别设定一个自旋量子数,其数值只能在这两个数值中挑选一个数值,电子在原子里的量子态可以用一组参数来设定,这一组参数为主量子数角量子数磁量子数自旋量子数。按照泡利所创建的泡利不相容原理,在原子里的每一个电子都处于不同的量子态[22]:220-222[25]:199-200。隔年,为了解释反常塞曼效应,荷兰物理学家塞缪尔·古德斯米特乔治·乌伦贝克提议,除了运动轨域的角动量以外,电子还拥有内在的角动量,称为自旋,电子的自旋为,在磁场作用下,沿着磁场方向可以是上旋或下旋,这是电子在原子里的自旋量子数[22]:726-730

量子力学

为了要解释光电效应的物理机制,阿尔伯特·爱因斯坦于1905年提出了光的波粒二象性,即光具有粒子性波动性[27]:211[注 6]1924年,法国物理学者路易·德布罗意在博士论文《量子理论研究》里提议,如同光波一般,物质也具有波粒二象性,因此,在适当状况下,电子会显示出波动性。[27]:207-2101927年,英国物理学家乔治·汤姆孙做实验照射相对论性电子束于金属薄膜,同年,美国物理学家克林顿·戴维森雷斯特·革末做实验照射低能量电子束于镍晶体,这两个实验都分别测得各自特征的干涉图案,因此证实电子具有波动性。[27]:424-433

在量子力学里,束缚于原子内部的电子的物理行为可以用原子轨域来描述,这轨域并不是轨道,而是概率幅。概率分布是概率幅绝对值的平方。此图显示1s原子轨域。在每个位置的色彩浓淡表示电子处于那位置的相对概率。
在量子力学里,束缚于原子内部的电子的物理行为可以用原子轨域来描述,这轨域并不是轨道,而是概率幅概率分布是概率幅绝对值的平方。此图显示1s原子轨域。在每个位置的色彩浓淡表示电子处于那位置的相对概率。

德布罗意的波粒二象性论述给予埃尔温·薛定谔宝贵启示:既然粒子具有波动性,那么必定存在有波动方程能够描述粒子的波动行为。经过一番努力,薛定谔于1926年找到了这波动方程,后来称为薛定谔方程,是量子力学的基础方程之一。使用这方程,薛定谔计算出氢原子光谱的频率数值,其符合实验结果。不久之后,学者们使用这方程来成功预测其它原子、分子、离子等的性质。对于为什么在原子里的电子会稳定地运动于特定的能级轨域,这方程也能给出合理解释,[注 5]虽然它不能决定性地给出电子的运动轨道,即电子在任意时间的位置,但是,它可以计算出电子处于某位置的概率,也就是说,在某位置找到电子的概率。[29]:4[20]:163-166

薛定谔方程并没有涉及到相对论效应。为了要涵盖相对论效应,必须将薛定谔方程加以延伸。1928年,保罗·狄拉克发表了狄拉克方程,其能够描述相对论性电子的物理行为,例如,电子自旋。[注 7][20]:166-167为了要解释狄拉克方程的自由电子解所遇到的反常的负能量态问题,他预言宇宙中存在有正电子,即电子的反粒子,与电子的质量相同,电性相反。1932年,卡尔·安德森宇宙射线实验在云室的轨迹中发现了正电子。[20]:190-193

根据狄拉克理论,氢原子的两个能态应该是简并态,不会有能量差值,然而,威利斯·兰姆与研究生罗伯特·雷瑟福英语Robert Retherford于1947年在哥伦比亚辐射实验室英语Columbia Radiation Laboratory做实验发现,这两个能级间竟然出现微小能量差值。这现象称为兰姆位移[20]:332-333从1946年至1948年,波利卡普·库施亨利·福立英语Henry Foley在共同完成的一系列实验中,发现电子的异常磁矩,即电子的磁矩比狄拉克理论的预估稍微大一点。[30]:221-2221940年代,朝永振一郎朱利安·施温格理察·费曼等创建了量子电动力学,其可以对于这些现象给出合理解释。[30]

粒子加速器

汤姆孙于1897年发现电子这创举所使用的阴极射线管就是一种原始简单的粒子加速器,其利用两个电极之间的电压差来促使电子加速。自从那突破性发现后,随着科技的发展,半个世纪后,粒子加速器已发展成为研究亚原子粒子不可或缺的工具。[31]:361942年,伊利诺伊大学香槟分校物理学者唐纳德·克斯特英语Donald Kerst首先成功地利用电磁感应将电子加速至高能量。在他领导下,贝塔加速器最初的能量达到2.3MeV,后来更达到300MeV。[32]:35-361947年,在通用电器研究实验室赫伯特·坡拉克英语Herbert Pollock使用70MeV电子同步加速器发现了同步辐射,即移动于磁场的相对论性电子因为加速度而发射的辐射。[32]:40

1968年,第一座粒子束能量高达1.5GeV粒子对撞机英语particle collider大储存环对撞机英语ADONE意大利核子物理国家研究院英语Istituto Nazionale di Fisica Nucleare开始运作。这座对撞机能够将电子和正电子反方向地分别加速。与用电子碰撞一个静止标靶相比较,这方法能够有效地使碰撞能量增加一倍。[33]1974年11月11日,伯顿·里克特实验团队使用斯坦福直线加速器中心那时新装置的电子和正电子对撞机斯坦福正负电子非对称圈英语Stanford Positron Electron Asymmetric Ring(SPEAR)与丁肇中实验团队在布鲁海文国家实验室分别独立探测到一种新的亚原子粒子,后来命名为J/ψ介子。该发现意味着粲夸克的存在,并且证实了夸克理论的正确性,被视为是规范场论量子色动力学的一大胜利,后来被称为“十一月革命”。[20]:344-346隔年,马丁·佩尔实验团队使用同样对撞机探测到τ子[34]:第5章1979年,德国电子加速器正负电子串接环加速器英语Positron-Electron Tandem Ring Accelerator(PETRA)的TASSO 实验团队英语TASSO发现胶子存在的证据。[35]

从1989年运行到2000年,位于瑞士日内瓦近郊的欧洲核子研究组织大型电子正电子对撞机,其能够实现高达209GeV的碰撞能量。这对撞机曾经完成多项实验,对于考练与核对粒子物理学的标准模型的正确性做出重大贡献[36]

物理特性

粒子分类

基本粒子的标准模型。电子位于左下方。
基本粒子的标准模型。电子位于左下方。

根据粒子物理学标准模型,电子是基本粒子,凡是自旋为半奇数的基本粒子都是费米子,电子是费米子,因为电子的自旋是 ,费米子又分为轻子重子两种,它们的主要不同之处是轻子不涉及强相互作用,因此,电子是轻子。在所有带电的轻子中,电子的质量最小,属于第一代基本粒子。μ子τ子分别为第二代和第三代的带电轻子。它们的带电量、自旋和所涉及到的基本相互作用都与电子相同。[37]:1220-1222, 1226-1227

基本性质

电子的质量大约为9.109 × 10−31kg或5.489 × 10−4amu[1]。根据阿尔伯特·爱因斯坦质能等价原理,这质量等价于0.511 MeV静止能量。质子质量大约为电子质量的1836倍。[38]天文测量显示出,至少在最近这半个宇宙年龄期间,这质量比例都保持稳定不变,与标准模型所预测的相符合。[39]

电子所带有的电量基本电荷的电量:-1.602 × 10−19库仑[1]这是亚原子粒子所使用的电荷单位的电量。在实验准确极限内,电子的绝对带电量与质子相等,但正负号相反。[40]基本电荷通常用符号 表示。电子用符号 表示;正电子用符号 表示[1];其中,正负号分别表示正负电荷。除了所带有电荷的正负号不同以外,正电子与电子所具有的其它性质都相同。[41]:21

电子拥有内秉的角动量,称为自旋。电子的自旋量子数。通常,当谈到这性质时,电子会被指为是一种自旋1/2粒子。对于这种粒子,自旋角动量是 [注 8]假设量度自旋的投影于任意坐标轴,则获得的答案只能为 。沿着自旋轴,电子的内在磁矩大约为1玻尔磁子,或9.274 009 15(23)×10−24焦耳/特斯拉[1]

大多数物理学者认为,电子是一个点粒子,没有任何空间延伸,电子没有任何次结构[37]:1227在现代理论物理学里,关于电子半径的论题是很具挑战性的问题。[42]:1承认电子具有有限半径这假定不符合相对论的前提,因为,这将导致切向速度快于光速,[43]:74[44]:172然而,假定电子为点粒子,半径为零,则会造成严峻数学困难,因为电子的自能英语self-energy会趋于无穷大。[42]:44-57从观测束缚于潘宁阱内的电子,物理学家推断电子半径的上限为10−22米。[45]经典电子半径是2.82 × 10−15m。兰姆位移研究揭露,电子的电荷是大致分布于半径为电子电子康普顿半径的圆球形区域,电子康普顿半径的数值为3.86 × 10−13m。[42]:5-6

很多基本粒子会自发衰变成质量更轻的粒子,μ子就是一个很好的例子。平均寿命为2.2 × 10−6秒的μ子会衰变成一个电子、一个中微子和一个反中微子[46]从现有理论论证,电子是很稳定的:电子是质量最轻的带电粒子,它的衰变会违反电荷守恒定律。电子平均寿命的实验最低限是6.6×1028年,置信水平是90%。[47]

如同所有其它微观粒子,电子具有粒子性和波动性。这性质称为波粒二象性[注 6]双缝实验里,单独粒子能够同时通过两条狭缝,并且自己与自己相互干涉,造成了显示于侦测屏障的明亮条纹和黑暗条纹,使用高阶的实验设备,又可以观测到,电子总是以一颗颗粒子的方式抵达侦测屏障[48]

电子是全同粒子。没有任何方法能够分辨出一个电子与另一个电子有什么不同。由于电子的自旋为半整数,电子是费米子,遵循泡利不相容原理,任意两个电子都不能占有同样的量子态。这原理解释了许多有关电子在原子内的性质,例如,在原子内,每个原子轨域最多只能容纳两个电子,为了符合反对称性,必须一个电子的自旋往上,另一个电子的自旋往下,而不是所有的束缚电子都占有同样一个最低能级的轨域。[44]:210-214

虚粒子

物理学者认为,空间会继续不停地生成一对一对的虚粒子,例如,正负电子虚对,而在生存短暂的一段时间后,这些成对的虚粒子会相互湮灭。在这过程里,假若要侦测生成的虚粒子,生成虚粒子所需要的能量涨落 ,虚粒子能够被侦测所需要的存在时间 ,必须满足海森堡不确定原理所设定的侦测底限,;其中,约化普朗克常数。实际而言,生成这些虚粒子所需要的能量 ,可以从真空暂时借用一段时间 ,只要它们的乘积小于约化普朗克常数 就行。这样,理论上不会被仪器侦测出来,也不会违反海森堡不确定原理。根据这推理,对于虚电子, 最多是1.3 × 10−21[注 9][49] :80

略图显示正负电子虚对的随机性地出现于一个电子(左下方)的附近。
略图显示正负电子虚对的随机性地出现于一个电子(左下方)的附近。

如左图所示,正负电子虚对会随机性地出现于一个电子(图内左下方)的附近。当正负电子虚对尚然存在的时候,虚正电子会感受到原本电子施加的吸引性库仑力,而虚电子则会感受到排斥性库仑力,因此造成真空极化,真空变得好像一个具有电容率 电介质,电子的有效电荷量变得小于真实裸电荷量,而且随着离原本电子距离的增加而递减,直到距离大于电子康普顿波长为止。[41]:69-70通过1997年用日本崔斯坦粒子加速器英语KEKB (accelerator)完成的实验,真空极化理论得到了强有力的证实。[50]对于电子的质量,虚粒子也会造成屏蔽效应[51][注 10]

虚粒子相互作用能够解释,在电子的内在磁矩玻尔磁子之间,微小的偏差(大约是磁矩的0.1%),称为异常磁矩。这理论结果超特准确地与实验测定的数值相符合。无可否认地,在这里,量子电动力学交出了一份漂亮的成绩单。[30]:221-222

在经典物理学里,描述电子为具有内秉的角动量与磁矩的点粒子的明显佯谬,可以用电子的电场所生成的虚光子来解释。这些虚光子会被电子持续不断的吸收与再发射,因此促使电子快速地震颤,这震颤运动称为颤动,由于虚光子具有角动量,颤动会造成电子的进动。通过过时间平均,导致质量与电荷的环流,这样,点粒子可以表现出有限尺寸粒子所具有的性质,包括自旋、磁矩。[43]:74颤动与真空极化共同造成了从谱线实验观测到的兰姆位移。[42]:5[52]:245-247

相互作用

带有电量 
  
    
      
        q
      
    
    {\displaystyle q}
  
 的粒子以速度 
  
    
      
        
          v
        
      
    
    {\displaystyle \mathbf {v} }
  
 移动于磁场 
  
    
      
        
          B
        
      
    
    {\displaystyle \mathbf {B} }
  
 (磁场的方向是从银幕指向眼睛),该粒子因感受到洛伦兹力的作用而呈现出的可能运动轨道。
带有电量 的粒子以速度 移动于磁场 (磁场的方向是从银幕指向眼睛),该粒子因感受到洛伦兹力的作用而呈现出的可能运动轨道。

电子是带负电粒子,其所产生的电场,会吸引像质子一类的带正电粒子,也会排斥像电子一类的带负电粒子,这些现象所涉及的作用力遵守库仑定律[53]:58-61一群电子在空间中的移动会形成电流安培定律描述电流与磁场彼此之间的关系。[53]:225-236法拉第感应定律描述时变磁场怎样感应出电场。电磁感应发电机的运作原理。[54]:134

根据经典电动力学,一个任意移动的带电粒子,必须经过一段传播时间,才能够将其影响传播到场位置,在场位置产生对应的推迟势,称为李纳-维谢势[53]:429-434任意移动的带电粒子所产生的电场和磁场,可以从李纳-维谢势求得,也可以用杰斐缅柯方程直接计算出来。[53]:427-429应用狭义相对论,也可以推导出同样的结果。[53]:525-532

移动于磁场的电子,会感受到洛伦兹力的作用,这洛伦兹力垂直于磁场与电子速度这两个矢量所决定的平面,是向心力,因此电子会按照螺旋轨道移动于磁场,螺旋轨道的半径称为回转半径[53]:205由于螺旋运动涉及加速度,电子会发射电磁辐射,对于这过程,非相对论性电子发射的电磁辐射称为回旋辐射,而相对论性电子发射的则称为同步辐射[55]:288[56]发射电磁辐射的同时,非相对论性电子也会感受到一种反冲力,称为阿布拉罕-洛伦兹力,其能减缓电子的移动速度。阿布拉罕-洛伦兹力是一种由电子所产生的电磁场施加于自身的自作用力,是一种辐射反作用力英语radiation reaction[53]:465-472

费曼图表示电子感受到由光子传递的电磁相互作用。[57]:566
费曼图表示电子感受到由光子传递的电磁相互作用。[57]:566

量子电动力学里,粒子与粒子之间传递电磁相互作用玻色子光子。一个不呈加速度运动的孤独电子,是无法发射或吸收真实光子的,因为这会违背能量守恒定律动量守恒定律,然而,虚光子不须遵守这禁忌,虚光子可以担当传输动量于两个带电粒子之间的责任,[41]:64-65例如,两个带电粒子互相交换虚光子,从而形成了库仑力。[41]:61假设一个移动中的电子,因为感受到一个带电粒子(像质子)所产生的电场的库仑力,而被偏转英语deflection (physics),则电子会因为加速度运动而发射电磁辐射,这称为轫致辐射[55]:277ff

一个电子移动于原子核所产生的电场,会被电场的库仑力偏转,因而发射轫致辐射。电子的能量的改变 
  
    
      
        
          E
          
            2
          
        
        −
        
          E
          
            1
          
        
      
    
    {\displaystyle E_{2}-E_{1))
  
,决定了发射光子的频率。
一个电子移动于原子核所产生的电场,会被电场的库仑力偏转,因而发射轫致辐射。电子的能量的改变 ,决定了发射光子的频率。

康普顿散射是光子与自由电子之间的弹性碰撞。这种碰撞涉及动量和能量的传输于两个粒子之间,会改变光子的波长[注 11]这差值的最大值,称为康普顿波长,以方程表达为 ;其中,普朗克常数 是电子质量, 是光速。电子的康普顿波长为2.43 × 10−12 m[1]由于光子波长差很微小,很难被观测到,除非波长差与波长的比率很大,即光子的波长也很短,才可被观测到,因此,通常在X射线伽马射线实验里才会观测到康普顿效应[57]:137-138对于波长较长的光波,光子的动量可以被忽略,这种经典电磁学散射被称为汤姆孙散射[58]:694ff

当电子与正电子相互碰撞时,它们会互相湮灭对方,同时生成两个以上,偶数的伽马射线光子,以180°相对角度发射出去。假若,可以忽略电子和正电子的动量,则这碰撞可能会先形成电子偶素原子,然后再湮灭成为两个0.511 MeV伽马射线光子。[57]:90-91反过来看,高能量光子可以转变为一个电子和一个正电子,这程序称为成对产生。但是,由于违背了动量守恒定律,单独光子不可能会发生成对产生。只有在像原子核等等的带电粒子附近,由于库仑作用,能量大于1.022 MeV的光子才有可能发生成对产生。[57]:91-92

费曼图表示电子感受到由W玻色子Z玻色子传递的弱相互作用[41]:72, 74

弱相互作用有两种,载荷流相互作用英语charged-current interaction中性流相互作用[59]载荷流相互作用的媒介是带电性的W玻色子。通过发射W玻色子或吸收W+玻色子,电子可转变为电中微子;逆反过来,通过发射W+玻色子或吸收W-玻色子,电中微子也可转变为电子。[41]:307-308中性流相互作用的媒介是中性的Z玻色子,例如,中微子-电子散射或电子-电子散射。注意到电子-电子散射也可以用光子为媒介,任何以光子为媒介的过程都能够以Z玻色子为媒介,对于基于电子-电子散射的库仑定律,以Z玻色子为媒介的过程会给出微小修正。[41]:72-73

原子和分子

原子是由原子核与电子组成,由于库仑力的作用,原子内部的电子被原子核吸引与束缚。假若,束缚电子的数目不等于原子核的质子数目,则称此原子为离子。在原子内部,原子轨域描述束缚电子的物理行为。每一个原子轨域都有自己独特的一组量子数,像主量子数角量子数磁量子数。原子轨域的主量子数设定能级,角量子数给出轨角动量,而磁量子数则是轨角动量对于某特定轴的量子化投影。根据泡利不相容原理,每一个原子轨域只能容纳两个电子,而这两个电子的自旋波函数为反对称,一个自旋向上,另一个自旋向下[44]:210-217

电子的概率密度绘图。横排显示不同的角量子数 
  
    
      
        ℓ
        
        
      
    
    {\displaystyle \ell \,\!}
  
 ,竖排显示不同的能级 
  
    
      
        n
        
        
      
    
    {\displaystyle n\,\!}
  
。
电子的概率密度绘图。横排显示不同的角量子数 ,竖排显示不同的能级

处于一个原子轨域的电子,经过发射或吸收光子的过程,可以跃迁至另外一个原子轨域。发射或吸收的光子的所涉及的能量必须等于轨域能级的差值。[57]:159-160电子也可以借着与它粒子的碰撞,或靠着俄歇效应,跃迁至别的轨域。[57]:173假若,束缚电子获得的能量大于其束缚能的能量,则这束缚电子可以逃离原子,成为自由电子。例如,在光电效应里,一个能量大于原子电离能的入射光子,被电子吸收,使得电子有足够的能量逃离原子。[57]:127-132

电子的轨角动量是量子化的。由于电子带有电荷,其轨磁矩与轨角动量成正比。原子的净磁矩是原子核与每一个电子的轨磁矩和自旋磁矩的总矢量和(欲知道更详细的资料,请参阅自旋-轨道作用)。但是,与电子的磁矩相比,核磁矩显得超小,可以忽略。处于同样轨域的两个偶电子会互相抵销对方的自旋磁矩[60]

在原子与原子之间的化学键形成的物理机制是电磁作用,但是只有利用量子力学理论才能给出完整说明。[61]:68几种常见的化学键为离子键共价键金属键。在离子化合物里,正离子负离子会通过静电作用形成离子键。在共价化合物里,原子与原子之间通过共用电子形成共价键。在金属里,自由电子与排列成晶格状的金属离子之间的静电吸引力形成金属键。[62]:4–10

分子内部,电子的运动会同时受到几个原子核的影响,电子占有分子轨域,就好像在单独原子内部占有原子轨域一般。遵守泡利不相容原理,每一个分子轨域只能容纳两个自旋相反的电子,称为“电子偶。电子是按照能量增加的顺序来占有分子轨域,就如同原子轨域一般。不同的分子轨域有不同的电子概率密度分布。例如,键结轨域利用分子轨道理论来说明最简单的σ键案例,两个分子轨道是由两个1s原子轨道形成,能量较低的分子轨道称为“成键轨道”,又称为“σ轨道”,相应的键称为“σ键”,能量较高分子轨道称为“反键轨道”,又称为“σ*轨道”,相应的键称为“σ*键”。分子基态时,构成化学键的电子通常处在成键轨道中,而让反键轨道空着。[61]:318-319

电传导和热传导

闪电机制涉及电子或离子从云层向地面流动或从地面向云层流动。
闪电机制涉及电子或离子从云层向地面流动或从地面向云层流动。

电导率是表示物质传输电流的强弱能力的一种测量值。当施加电压于导体的两端时,电子会从低电势处朝着高电势处移动,因而产生电流。依照惯例,对于导体,电流的方向与电子移动的方向恰巧相反。都是优良导体;而玻璃橡胶则都是不良导体。[53]:285-288电介质里,电子束缚于各自所属的原子内,电介质的性质就好像绝缘质一样。金属物质拥有电子能带结构,其电子能带还没有完全被电子填满。这些尚未填满的电子能带,容许金属内一些电子的举止,好似自由电子或离域电子一般,与任何一个原子都没有连结。当施加电场于金属时,这些电子可以自由的移动于金属,就像气体移动于其容器内一般,称这些电子为费米气体或“自由电子费米气体”[44]:218-229

德鲁德模型是一种“经典自由电子模型”,不涉及到量子力学。按照这模型,带正电的原子核固定于晶格点,而自由移动于金属内部的传导电子是原子的价电子,其带有负电。使用气体动力论来描述传导电子的物理行为,[63]:2-3德鲁德模型可以成功地推导出欧姆定律、电传导与热传导彼此之间的关系,可是,按照这模型,热传导与电子热容量有关,而做实验并没有观测到这么强烈的关系,[63]:22-23这主要是因为经典麦克斯韦-玻尔兹曼分布无法描述电子的概率分布[64]:133

阿诺·索末菲将德茹德模型加以延伸,将量子力学的泡利不相容原理纳入考量,用费米-狄拉克分布来描述电子的概率分布,他成功发展出德茹德-索莫菲模型英语free electron model,又称为“自由电子模型”,而在导体内的电子则被称为“自由电子费米气体”。[63]:30[65]:135德茹德-索莫菲模型正确说明了为什么电子在室温下的运动并没有对于热容量给出可观察到的贡献,又说明了在非常低温度(几度K)状况下,电子贡献会超过离子贡献,因此变得很重要,与温度成正比。通过做实验获得的比例结果显示,碱金属抗腐蚀金属(例如铜、金、银等)的热容量可以用自由电子模型来估算。[63]:47-49

自由电子模型是很简单的模型,其没有将周期性晶格位势英语Particle in a one-dimensional lattice电子-声子相互作用英语electron-phonon interaction电子-电子相互作用英语electron-electron interaction纳入考量。更进阶的费米液体理论将自由电子模型加以延伸,假若电子所感受到的相互作用很微弱,则传导电子仍旧可以被视为自由准电子,其拥有不同的有效质量。费米液体理论是许多摩登固态理论的起跑点,例如BCS理论,但是,对于高温超导现象的解释,它遇到很多困难。[65]:161-162

超导现象指的是,在足够低温状况下,物质失去电阻的现象。1950年,赫伯特·弗勒利希建议,超导机制涉及到电子与物体晶格震动的耦合。从这建议,约翰·巴丁利昂·库珀约翰·施里弗合作创建了BCS理论,其能够完全解释常规超导现象。BCS理论表明,电子与晶格之间的相互作用导致形成称为库珀对的成对的电子,库珀对能够丝毫没有阻碍地移动于物体内部。物体可以被视为正离子的晶格沉浸在电子云里,当电子通过晶格时,负电子会吸引正离子,使得正离子微小地移动,这动作促成一个正价区域,其会吸引另外一个电子,形成了库珀对。由于库珀对的结合能很弱,库珀对很容易被热能拆散,因此超导现象通常只会出现在非常低温状况下。[66][67]

相对论性电子的性质

根据爱因斯坦的狭义相对论,相对于观测者的参考系,电子的移动速度越快,电子的相对论性质量(总能量)也越大,因而使得电子继续加速所需要的能量越来越大,在接近光速时,趋向于无穷大。因此电子的移动速度可以接近光波在真空的传播速度 ,但绝不会达到 [68]:20-24

光波传播于像一类的电介质的速度 ,会明显地小于 。假设,将相对论性电子(电子的速度接近 )入射于这一类的电介质,则相对论性电子在此电介质内的移动速度,会暂时地大于光波传播于此电介质的速度 。当相对论性电子移动于此类电介质内部时,由于与电介质相互作用,会产生一种很微弱的辐射,称为切连科夫辐射[69]

洛伦兹因子与速度的关系线图。当速度超小于 
  
    
      
        c
        
        
      
    
    {\displaystyle c\,\!}
  
 时,洛伦兹因子大约为1,当速度趋向 
  
    
      
        c
        
        
      
    
    {\displaystyle c\,\!}
  
 时,洛伦兹因子趋向无限大。
洛伦兹因子与速度的关系线图。当速度超小于 时,洛伦兹因子大约为1,当速度趋向 时,洛伦兹因子趋向无限大。

狭义相对论的效应要视洛伦兹因子的大小而决定。洛伦兹因子 以方程定义为

其中, 是粒子的速度。

一个电子的动能

其中, 是电子的静质量

例如,斯坦福直线加速器可以将电子加速到大约51 GeV[70]。由于电子的静质量大约为0.51 MeV,对应的 值接近100,000。给予同样的速度,这电子的相对论性动量 是经典力学预测的动量 的100,000倍[注 12]

电子也拥有波动行为,其德布罗意波长 以方程表达为 ;其中, 是普朗克常数, 是动量。对于前述的51 GeV电子, 大约为2.4 × 10−17 m,这波长的尺寸相当微小,所以,实验者可以用电子来精密地探测原子核的内部结构[71]

电子天文学理论

高能量光子能够与原子核的库仑场相互作用,从而生成电子和正电子。这过程称为电子正电子成对产生。
高能量光子能够与原子核的库仑场相互作用,从而生成电子和正电子。这过程称为电子正电子成对产生

在众多解释宇宙早期演化的理论中,大爆炸理论是比较能够被物理学界广泛接受的科学理论[72]:2。在大爆炸的最初几秒钟时间,温度远远高过100亿K。那时,光子的平均能量超过1.022 MeV很多,有足够的能量来生成电子和正电子对[73]:第2.1.4节。这过程称为电子正电子成对产生,以公式表达为

其中, 是光子, 是正电子, 是电子。

同时,电子和正电子对也在大规模地相互湮灭对方,并且发射高能量光子。在这短暂的宇宙演化阶段,电子,正电子和光子努力地维持着微妙的平衡。但是,因为宇宙正在快速地膨胀中,温度持续转凉,在10秒钟时候,温度已降到30亿K,低于电子-正电子生成过程的温度底限100亿K。因此,光子不再具有足够的能量来生成电子和正电子对,大规模的电子-正电子生成事件不再发生。可是,电子和正电子还是继续不段地相互湮灭对方,发射高能量光子[73]:第2.1.4节。由于某些尚未确定的因素,在轻子生成过程英语leptogenesis (physics)中,生成的电子多于正电子。否则,假若电子数量与正电子数量相等,现在就没有电子了[74]:110-112[75]。不只这样,由于一种称为重子不对称性的状况,质子的数目也多过反质子,大约每1亿个粒子对与光子中,就会有一个额外的质子[74]:134。很巧地,电子存留的数目跟质子多过反质子的数目正好相等。因此,宇宙净电荷量为零,呈电中性[75]

假若温度高于10亿K,任何质子和中子结合而形成的重氢,会立刻被高能量光子光解。在大爆炸后100秒钟,温度已经低于10亿K,质子和中子结合而成的重氢,不再会被高能量光子光解,存留的质子和中子开始互相参予反应,形成各种同位素的同位素,和微量的。这过程称为太初核合成[73]:第2.1.5节

在大约1000秒钟时,温度降到低于4亿K。核子与核子之间,不再能靠着高速度随机碰撞的机制,克服库仑障壁,互相接近,产生核聚变。因此,太初核合成过程无法进行,太初核合成阶段大致结束[73]:第2.1.6节。任何剩余的中子,会因为半衰期大约为614秒的负贝塔衰变,转变为质子,同时释出一个电子和一个反电中微子

其中, 代表中子, 代表质子, 代表反电中微子。

在以后的377,000年期间,电子的能量仍旧太高,无法与原子核结合。在这时期之后,随着宇宙逐渐地降温,原子核开始束缚电子,形成中性的原子。这过程称为复合。在这相当快的复合过程时期之后,大多数的原子都成为中性,光子不再会很容易地与物质相互作用。光子也可以自由地移动于透明的宇宙[76]

大爆炸的一百万年之后,第一代恒星开始形成[76]。在恒星内部,恒星核合成过程的各种核聚变,会造成正电子的生成(参阅质子-质子链反应碳氮氧循环)。这些正电子立刻会与电子互相湮灭,同时释放伽马射线。结果是电子数目稳定地递减,跟中子数目对应地增加。恒星演化过程会合成各种各样的放射性同位素。有些同位素随后会经历负贝塔衰变,同时发射出一个电子和一个反电中微子结果是电子数目增加,跟中子数目对应地减少。例如,钴-6060Co)同位素会因衰变而形成镍-60[77]

质量超过20太阳质量的恒星,在它生命的终点,会经历到引力坍缩,因而变成一个黑洞[78]。按照相对论理论,黑洞所具有的超强引力,足可阻止任何物体逃离,甚至电磁辐射也无法逃离。但是,物理学家认为,量子力学效应可能会允许电子和正电子生成于黑洞的事件视界,因而使得黑洞发射出霍金辐射[注 13]

当一对虚粒子,像正电子-电子虚偶,生成于事件视界或其邻近区域时,这些虚粒子的随机空间分布,可能会使得其中一个虚粒子,出现于事件视界的外部。这过程称为量子隧穿效应。黑洞的引力势会供给能量,使得这虚粒子转变为真实粒子,辐射逃离黑洞。这辐射程序称为霍金辐射。在另一方面,这程序的代价是,虚偶的另一位成员得到了负能量。这会使得黑洞净损失一些质能。霍金辐射的发射率与黑洞质量成反比;质量越小,发射率越大。这样,黑洞会越来越快地蒸发。在最后的0.1秒,超大的发射率可以类比于一个大爆炸[80]

高能量宇宙线入射于地球大气层,造成了一阵持久的空中射丛。
高能量宇宙线入射于地球大气层,造成了一阵持久的空中射丛。

宇宙线是遨游于太空的高能量粒子。物理学者曾经测量到能量高达3.0 × 1020 eV的粒子[81]。当这些粒子进入地球的大气层,与大气层的核子发生碰撞时,会生成一射丛的粒子,包括π介子[82]。μ子是一种轻子,是由π介子在高层大气衰变而产生的。在地球表面观测到的宇宙线,超过半数是μ子。半衰期为2.2微秒的μ子会因衰变而产生一个电子或正电子。正确的π介子反应式为[83]

其中, 是μ子,μ中微子反μ中微子反电中微子

观测

等离子体灯内部的电子与离子重结合以后,从激发态跃迁至较低能级的量子态,同时释放出电磁辐射。由于电磁辐射的频率与等离子体材料的性质有关,因而会显示出各种不同的颜色。
等离子体灯内部的电子与离子重结合以后,从激发态跃迁至较低能级的量子态,同时释放出电磁辐射。由于电磁辐射的频率与等离子体材料的性质有关,因而会显示出各种不同的颜色。

靠着侦测电子的辐射能量,天文学家可以远距离地观测到电子的各种现象。例如,在像恒星日冕一类的高能量环境里,自由电子会形成一种借着制动辐射来辐射能量的等离子体。电子气体的等离子体振荡是一种波动,是由电子密度的快速震荡所产生的波动。这种波动会造成能量的发射。天文学家可以使用无线电望远镜来侦测这能量[84]

根据普朗克关系式,光子的频率与能量成正比。当一个束缚电子跃迁于原子的不同能级的轨域之间时,束缚电子会吸收或发射具有特定频率的光子。例如,当照射宽带光谱的光源所产生的光波于原子时,特征吸收光谱会出现于透射辐射的光谱。每一种元素或分子会显示出一组特征吸收光谱,像氢光谱光谱学专门研究光谱线的强度和宽度。细心分析这些数据,即可得知物质的组成元素和物理性质[85]

在实验室操控条件下,电子与其它粒子的相互作用,可以用粒子侦测器来仔细观察。电子的特征性质,像质量、自旋和电荷等等,都可以加以测量检验。四极离子阱潘宁阱可以长时间地将带电粒子限制于一个很小的区域。这样,科学家可以准确地测量带电粒子的性质。例如,在一次实验中,一个电子被限制于潘宁阱的时间长达10个月之久[86]。1980年,由于各种先端科技的成功发展,电子磁矩的实验值已经达到11个位数的精确度。在那时候,是所有由实验得到的物理常数中,精确度最高的物理常数[87]

2008年2月,隆德大学的一组物理团队首先拍摄到电子能量分布的视讯影像。科学家使用非常短暂的闪光,称为阿托秒脉冲,率先捕捉到电子的实际运动状况[88]

在固态物质内,电子的分布可以用角分辨光电子能谱学来显像。应用光电效应理论,这科技照射高能量辐射于样品,然后测量光电发射的电子动能分布和方向分布等等数据。仔细地分析这些数据,即可推论固态物质的电子结构[89]

应用领域

电子束

在一次美国国家航空航天局的风洞试验中,电子束射向航天飞机的迷你模型,模拟返回大气层时,航天飞机四周的游离气体[90]。
在一次美国国家航空航天局风洞试验中,电子束射向航天飞机的迷你模型,模拟返回大气层时,航天飞机四周的游离气体[90]

电子束焊接英语electron beam welding是应用于焊接领域的电子束科技。这焊接技术能够将高达107瓦特/厘米2能量密度的热能,聚焦于直径为0.3–1.3毫米的微小区域。使用这技术,技工可以焊接更深厚的物件,限制大部分热能于狭窄的区域,而不会改变附近物质的材质。为了避免物质被氧化的可能性,电子束焊接必须在真空内进行。不适合使用普通方法焊接的传导性物质,可以考虑使用电子束焊接。在核子工程和航天工程里,有些高价值焊接工件不能接受任何瑕疵。这时候,工程师时常会选择使用电子束焊接来达成任务[91][92]

电子束平版印刷术是一种分辨率小于1毫米的蚀刻半导体的方法。这种技术的缺点是成本高昂、程序缓慢、必须操作于真空内、还有,电子束在固体内很快就会散开,很难维持聚焦。最后这缺点限制住分辨率不能小于10纳米。因此,电子束平版印刷术主要是用来制造少数量特别的集成电路[93]

电子束照射英语electron irradiation技术使用电子束来照射物质。为了要改变物质的物理性质或灭除医疗物品和食品所含有的微生物,可以考虑使用电子束照射技术[94]。做为放射线疗法的一种,直线型加速器英语loinear particle accelerator制备的电子束可以用来照射浅表性肿瘤。由于在被吸收之前,电子束只会穿透有限的深度(能量为5–20 MeV的电子束通常可以穿透5厘米的生物体),电子束疗法英语electron therapy可以用来医疗像基底细胞癌一类的皮肤病。电子束疗法也可以辅助治疗已被X-射线照射过的区域[95]

粒子加速器使用电场来增加电子或正电子的能量,使这些粒子拥有高能量。当这些粒子通过磁场时,它们会放射同步辐射。由于辐射的强度与自旋有关,因而造成了电子束的偏振。这过程称为索克洛夫-特诺夫效应英语Sokolov–Ternov effect。很多实验都需要使用偏振的电子束为粒子源。同步辐射也可以用来降低电子束温度,减少粒子的动量偏差。一当粒子达到要求的能量,使电子束和正电子束发生互相碰撞与湮灭,这会引起能量的发射。侦测这些能量的分布,仔细研究分析实验数据,物理学家可以了解电子与正电子碰撞与湮灭的物理行为[96]

成像

低能电子衍射技术(LEED)照射准直电子束(collimated electron beam)于晶体物质,然后根据观测到的衍射图样,来推断物质结构。这技术所使用的电子能量通常在20–200 eV之间[97]反射高能电子衍射英语reflection high energy electron diffraction(RHEED)技术以低角度照射准直电子束于晶体物质,然后搜集反射图样的数据,从而推断晶体表面的资料。这技术所使用的电子的能量在8–20 keV之间,入射角度为1–4°[98]

电子显微镜将聚焦的电子束入射于样本。由于电子束与样本的相互作用,电子的性质,像移动方向、相对相位和能量,都会有所改变。细心地分析这些实验搜集到的数据,即可得到分辨率为原子尺寸的影像[99]。使用蓝色光,普通的光学显微镜分辨率,因受到衍射限制,只能达到200纳米;相互比较,电子显微镜的分辨率,则是受到电子的德布罗意波长限制,对于能量为100 keV的电子,分辨率大约为0.0037纳米[100]像差修正穿透式电子显微镜英语Transmission Electron Aberration-corrected Microscope能够将分辨率降到低于0.05纳米,能够清楚地观测到个别原子[101]。这能力使得电子显微镜成为,在实验室里,高分辨率成像不可缺少的仪器。但是,电子显微镜的价钱昂贵,保养不易。在操作电子显微镜时,样品环境需要维持真空,科学家无法观测活生物[102]

电子显微镜主要分为两种类式:穿透式扫描式。穿透式电子显微镜的操作原理类似高架式投影机,将电子束对准于样品切片发射,穿透过的电子再用透镜投影底片电荷耦合元件。扫描电子显微镜用聚焦的电子束扫描过样品,就好像在显示器内一般。这两种电子显微镜的放大率可从100倍到1,000,000倍,甚至更高。应用量子隧穿效应扫描隧道显微镜将电子从尖锐的金属针尖隧穿至样品表面。为了要维持稳定的电流,针尖会随着样品表面的高低而移动,这样,即可得到分辨率为原子尺寸的样本表面影像[103]

自由电子镭射

自由电子镭射里,相对论性电子束会移动通过一对波荡器英语undulator。每一个波荡器是由一排磁偶极矩组成,其磁场的磁偶极矩交替地指向相反方向。由于这些磁场的作用,电子会发射同步辐射;而这辐射会相干地与电子相互作用,会在共振频率引起辐射场的强烈放大。自由电子镭射能够发射相干的高辐射率的电磁辐射,而且频域相当宽广,从微波软X-射线。这元件可以应用于制造业、通讯业和各种医疗用途,像软组织手术。[104]

现阶段已运行的自由电子镭射有美国斯坦福直线加速器中心直线加速器相干光源(LCLS)[105]德国电子加速器汉堡自由电子镭射(Free-electron LASer in Hamburg, FLASH)[106]与正在建造的欧洲X射线自由电子镭射英语European x-ray free electron laser(E-XFEL)。建成之后,E-XFEL将会是世界上规模最大,能量最高的自由电子镭射装置[107][108]

其它

阴极射线管的核心概念为,洛伦兹力定律的应用于电子束。阴极射线管广泛的使用于实验式仪器显示器,电脑显示器电视。在光电倍增管内,每一个击中光阴极英语photocathode的光子会因为光电效应引起一堆电子被发射出来,造成可侦测的电流脉波[109]。曾经在电子科技研发扮演重要的角色,真空管借着电子的流动来操纵电子信号;但是,这元件现在已被晶体管一类的固态电子元件取代了。[110]

参阅

注释

  1. ^ 电子的带电量是负基本电荷;质子的带电量是正基本电荷
  2. ^ 这声明是根据亚里斯多德在著作《论灵魂英语De Anima》中的权威性记载[3]:1
  3. ^ 例如,在《论磁石英语De Magnete》的英文翻译版本里的描述,“when rubbed electrics are suddenly applied to a versorium, instantly the pointer turns”[10]
  4. ^ 劳伦兹的1902年诺贝尔物理学奖演讲题目为《论电子理论与光的传播》。[15]:273
  5. ^ 5.0 5.1 玻尔并没有对于他假定的电子稳定运动的量子化轨域给出合理解释。直到后来埃尔温·薛定谔研究出使用薛定谔方程计算原子能级的方法,这问题才获得解决。[25]:314
  6. ^ 6.0 6.1 波动性指的是波动所具有的波长与频率意味着它在空间方面与时间方面都具有延伸性。粒子性指的是粒子总是可以被观测到其在某时间与某空间的明确位置与动量的性质。[28]:第3.1段
  7. ^ 相对论性电子是移动速度接近光速的电子。
  8. ^ 自旋的角动量 是从自旋量子数 计算而得:[37]:1220-1221
  9. ^ 根据海森堡不确定原理质能方程
    其中, 是电子的质量。[49]:80
  10. ^ 对于尺寸为普朗克长度的电子,这篇论文给出9%质量差值。[51]
  11. ^ 光子波长的差值 ,跟反冲的角度 有关。其关系为:
  12. ^ 计算电子的速度,答案为:
  13. ^ 霍金辐射尚未获得实验证实。[79]:185-186

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