电子

基本粒子之一

电子 (Electron)，是最早发现的基本粒子，常用符号e表示，带负电，电量为1.602176634×10-19库仑，是电量的最小单元，质量为9.10956×10-31kg。1897年由英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆生在研究阴极射线时发现。

研究历史

电现象的发现

古希腊人注意到，琥珀与毛皮摩擦会吸引小物体。这是在闪电之外人类最早的对电现象的记录之一。东汉时期，王充在《论衡·乱龙》中提到“顿牟掇芥，磁石引针，皆以其真是，不假他类”。

1600年，英国物理学家威廉·吉尔伯特（William Gilbert）在他的《磁力》中创造了拉丁语术语electrica，指的是那些具有像琥珀一样摩擦后吸引小物体的物质。这个词语后来演化出electron等与电相关英文词语。

两种基本电荷

16世纪早期，法国化学家查尔斯·弗朗杜瓦·杜菲(Charles Francois du Fay)发现，带电金箔与用丝绸摩擦过的玻璃棒相互排斥，与用羊毛摩擦过的琥珀相互吸引。根据这个实验以及进一步实验的现象，杜菲认为，电是由两种电流体组成的。本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）提出，电并不是电流体，而是由两种不同的电荷，分别标记为正负。

1846年，德国物理学家威廉·爱德华·韦伯（Wilhelm Eduard Weber）提出，正负电荷之间的相互作用满足平方反比率。1874年，爱尔兰物理学家乔治·约翰斯通·斯托尼（George Johnstone Stoney）研究电解现象后指出，存在“单一确定的电量”e，他通过法拉第电解定律估计了这个值。然而他认为这些电荷永久附着在原子上，无法去除。1881年，德国物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz）认为，正电荷和负电荷都可以分为基本的部分，每一部分“表现得像原子”。

发现自由电子

1859年，德国物理学家朱利叶斯·普吕克（Julius Plucker）在研究稀薄气体的电导率时发现，阴极发出的辐射会使阴极附近的管壁上发出磷光，磁场可以使磷光区域移动。在今后数十年，科学家们又对阴极射线做了大量的研究，这对J.J.汤姆孙（J. J. Thomson）发现电子具有重要意义。

在德国出生的英国物理学家阿瑟·舒斯特（Arthur Schuster）让阴极射线穿过带电的金属板，他发现射线会偏向带正电荷的板，这证明了阴极射线带有负电荷。他还测量了在一定电场和磁场下阴极射线偏移的位移，1890年，他根据这些实验结果估计了射线的荷质比。

亨利·贝克勒尔（HenriBecquerel）发现，在覆盖纸上的铀盐可以引起未曝光的照相版起雾。玛丽·居里（Marie Curie）发现只有某些特定的元素可以释放能量引起照相版起雾，并且镭可以释放强烈的辐射。玛丽·居里将某些化学元素释放能量这种性质称为放射性。

1899年，欧内斯特·卢瑟福（ErnestRutherford）通过简单的实验区分了射线和射线。他使用一种沥青闪石放射源，并测量了放射源产生的射线在材料中不同的穿透力。一种射线穿透力较弱，且带有正电荷，卢瑟福将其命名为射线。另一种穿透力更强，带有负电荷，卢瑟福将其命名为射线。

亨利·贝克勒尔（Henri Becquerel）证明了射线是电子，卢瑟福和托马斯·罗伊兹（Thomas Royds）在1909年证明了射线是电离氢。20世纪初，人们发现快速移动的带电粒子会使其路径中的过饱和水蒸气凝结。1911年，查尔斯·威尔逊（Charles Wilson）利用这一原理设计了他的可以拍摄带电粒子轨迹的云室。

量子力学中的电子

1914年，欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）、亨利·莫斯利（Henry Moseley）、詹姆斯·弗兰克（James Franck）和古斯塔夫·赫兹（Gustav Hertz）等人经过实验和理论的研究，明确了原子的结构是低质量的电子包围致密的带正电荷的原子核[11]。1913年，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）提出了原子轨道量子化的概念，准确地解释了当时测出的氢原子的光谱。

吉尔伯特·牛顿·刘易斯（GilbertNewton Lewis）提出了原子之间的化学键理论。1927年，沃尔特·海特勒（Walter Heitler）和弗里茨·伦敦（Fritz London）根据量子力学理论全面地解释了电子对的化学键合。1919年，美国化学家欧文·朗缪尔（Irving Langmuir）提出原子的壳模型：电子分布在同心的球壳上。他的理论定性地解释了元素周期表中元素的化学性质。

1924年，奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）提出：原子的壳状结构可以用一组四个参数来解释，不能有两个电子占据相同的态，这就是泡利不相容原理。

1925年，荷兰物理学家塞缪尔·古德斯密特（Samuel Goudsmit）和乔治·乌伦贝克（George Uhlenbeck）提出了自旋：电子除了轨道角动量外，还有內禀的角动量和磁偶极矩，这会导致能谱的精细结构分裂。

1928年，保罗·狄拉克（PaulDirac）在泡利工作的基础上，根据相对论和对称性，提出了狄拉克方程。狄拉克方程描述了旋量场，并且预言了正电子。1947年，威利斯·兰姆（Willis Lamb）与他的研究生罗伯特·雷瑟福德（Robert Retherfold）合作，发现了氢原子中一些本来应该有相同能量的量子态能量发生了偏移，这被称为兰姆位移。大约在同一时间，泡利卡普·库施（Polykarp Kusch）和亨利·迈克尔·弗利（Henry MichaelFoley）发现了电子磁矩比狄拉克预测的略大，这被称为电子的反常磁矩。这可以用朝永振一郎、朱利安·西摩·施温格（Julian Schwinger）和理查德·费曼（Richard Feynman）在二十世纪40年代后期提出的量子电动力学理论解释。

物理理论

基本性质

电子被归在亚原子粒子中的轻子类。轻子是物质被划分的作为基本粒子的一类。电子带有二分之一自旋，满足费米子的条件（按照费米-狄拉克统计）。电子所带电荷约为-1.6×10-19库仑，质量为9.10956×10-31kg（0.51MeV/c2）。通常被表示为e-。与电子电性相反的粒子被称为正电子，它带有与电子相同的质量，自旋和等量的正电荷。电子在原子内做绕核运动，能量越大距核运动的轨迹越远，有电子运动的空间叫电子层，第一层最多可有2个电子。第二层最多可以有8个，第n层最多可容纳2n2个电子，最外层最多容纳8个电子。最后一层的电子数量决定物质的化学性质是否活泼，1、2、3电子为金属元素，4、5、6、7为非金属元素，8为稀有气体元素。

物质的电子可以失去也可以得到，物质具有得电子的性质叫做氧化性，该物质为氧化剂；物质具有失电子的性质叫做还原性，该物质为还原剂。物质氧化性或还原性的强弱由得失电子难易决定，与得失电子多少无关。

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1842倍。当原子的电子数与质子数不等时，原子会带电，称这原子为离子。当原子得到额外的电子时，它带有负电，叫阴离子，失去电子时，它带有正电，叫阳离子。若物体带有的电子多于或少于原子核的电量，导致正负电量不平衡时，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）或聚氨酯漆，均匀地喷洒于物品表面。

电子与质子之间的吸引性库仑力，使得电子被束缚于原子，称此电子为束缚电子。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。当电子脱离原子核的束缚，能够自由移动时，则改称此电子为自由电子。许多自由电子一起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、磁性或热传导，电子都扮演了要重要的角色。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发射电磁辐射。

电荷的最终携带者是组成原子的微小电子。在运动的原子中，每个绕原子核运动的电子都带有一个单位的负电荷，而原子核里面的质子带有一个单位的正电荷。正常情况下，在物质中电子和质子的数目是相等的，它们携带的电荷相平衡，物质呈中性。物质在经过摩擦后，要么会失去电子，留下更多的正电荷（质子比电子多）。要么增加电子，获得更多的负电荷（电子比质子多）。这个过程称为摩擦生电。

在原子中排布规律

1、电子是在原子核外距核由近及远、能量由低至高的不同电子层上分层排布。

2、每层最多容纳的电子数为2n2个（n代表电子层数）。

3、最外层电子数不超过8个（第一层不超过2个），次外层不超过18个，倒数第三层不超过32个。

4、电子一般总是尽先排在能量最低的电子层里，即先排第一层，当第一层排满后，再排第二层，第二层排满后，再排第三层。

电子云是电子在原子核外空间概率密度分布的形象描述，电子在原子核外空间的某区域内出现，好像带负电荷的云笼罩在原子核的周围，人们形象地称它为“电子云”。它是1926年奥地利学者薛定谔在德布罗伊关系式的基础上，对电子的运动做了适当的数学处理，提出了二阶偏微分的著名的薛定谔方程式。这个方程式的解，如果用三维坐标以图形表示的话，就是电子云。

正电子反电子

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。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1.022MeV很多，有足够的能量来创生电子和正电子对。

同时，反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-正电子创生过程的温度底限100亿K。因此，光子不再具有足够的能量来创生电子和正电子对，大规模的电子-正电子创生事件不再发生。可是，反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。由于某些尚未确定的因素，在轻子创生过程（英语：leptogenesis(physics)）中，创生的正电子多于反电子。否则，假若电子数量与正电子数量相等，就没有电子了。大约每10亿个电子中，会有一个正电子经历了湮灭过程而存留下来。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。很巧地，正电子存留的数目跟正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。

经典力学

带电粒子在电磁场中受的力

带电粒子在电磁场中受到的力可以用如下方程描述

其中是电场，是磁场，是电荷量，是带电粒子运动的速度。其中是矢量的向量积（习惯称为“叉乘”），运算规则见词条“向量积”。

麦克斯韦方程组

麦克斯韦发现了位移电流，描述了变化的电场也会产生磁场，这体现在对安培定理的修正上。麦克斯韦方程是：

其中是位移电流项。通过麦克斯韦方程组可以推出电磁波的传播速度是一个常数：

这个速度被称为光速。在介电常数和磁导率分别是的电磁介质中，光速是。

光电效应

1905年，爱因斯坦提出了光电效应理论，光电效应理论说：材料可以吸收电磁波激发出电子，电子从材料中逸出需要消耗能量，这被成为逸出功。因此，逸出电子的动能是

其中是光的频率，是逸出功。根据光电效应理论，入射光的能量必须大于逸出功才会发生光电效应，发生光电效应的最小频率被称为截止频率。

物质波

1924年，德布罗意（Louis Victor Pierre Raymond 7th Duc de Broglie，全名路易·维克多·皮埃尔·雷蒙德·德布罗意公爵七世）提出了物质波的概念，根据他的理论，物质都有波粒二象性，电子的能量和动量分别是

薛定谔方程

薛定谔根据德布罗意提出的物质波理论，尝试定义一个描述量子力学中粒子状态的函数：波函数；并根据平面波的表达式尝试将动量和能量写成算符形式

然后写下一个方程

或者一般地

可以说，这个方程是薛定谔根据一些物理直觉猜出来的。薛定谔发现，根据这个方程解出的氢原子能级与实验相符。薛定谔方程已经成为了量子力学的一个基本方程。

狄拉克方程

薛定谔提出了薛定谔方程后，又尝试将动量算符应用到相对论的如下公式中

不过，他发现用这个方程求解得到的氢原子能级不正确，因此薛定谔并没有发表相关的研究。后来，克莱因和戈登做了更进一步的研究，提出了描述标量场的方程

电子是自旋的粒子，对应的量子场是旋量场。狄拉克希望从（9）出发，得到一个空间和时间的导数都是一阶的方程。他假设

其中都是待定的量，是旋量场，可以描述电子的运动。狄拉克发现，如果是矩阵的话，那么可以让（11）与（9）式一致。因此，狄拉克写下了如下方程

其中是狄拉克矩阵

研究的对称性，可以发现洛伦兹变换对应的生成元是

其中。分量旋转对称性对应的不变量是，其中指标。第一项是电子的自旋角动量，第二项是轨道角动量。

朗道能级

在量子力学中，均匀磁场中带电粒子能级的量子化被称为朗道能级。假设对粒子施加一个垂直于$方向的匀强磁场，那么其哈密顿量是：

在朗道规范中，，相应地哈密顿量可以化简成

其中频率，从上述哈密顿量中可以解出粒子的能级是谐振子的能级。

应用领域

电子的应用领域很多，像电子束焊接、阴极射线管、电子显微镜、放射线治疗、激光和粒子加速器等等。在实验室里，精密的尖端仪器，像四极离子阱，可以长时间约束电子，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，借着约束电子和离子等离子体，来实现受控核聚变。无线电望远镜可以用来探测外太空的电子等离子体。

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。

天文观测

远距离地观测电子的各种现象，主要是依靠探测电子的辐射能量。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藉著制动辐射来辐射能量的等离子。电子气体的等离子振荡。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发射。天文学家可以使用无线电望远镜来探测这能量。

焊接应用

电子束科技，应用于焊接，称为电子束焊接。这焊接技术能够将高达107W·cm2能量密度的热能，聚焦于直径为0.3～1.3mm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忍受任何缺陷。这时候，工程师时常会选择使用电子束焊接来完成任务。

印刷电路

电子束平版印刷术是一种分辨率小于一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10nm。因此，电子束平版印刷术主要是用来制备少数量特别的集成电路。

放射治疗

技术使用电子束来照射物质。这样，可以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。做为放射线疗法的一种，直线型加速器。制备的电子束，被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5～20MeV的电子束通常可以穿透5cm的生物体），电子束疗法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。

粒子加速器使用电场来增加电子或正子的能量，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。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，使电子束和正子束发生互相碰撞与湮灭，这会引起高能量辐射发射。探测这些能量的分布，物理学家可以研究电子与正子碰撞与湮灭的物理行为。

成像技术

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

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，电子的性质会有所改变，像移动方向、相对相位和能量。细心地分析这些数据，即可得到分辨率为原子尺寸的样本影像。使用蓝色光，普通的光学显微镜的分辨率，因受到衍射限制，大约为200nm；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100keV的电子，分辨率大约为0.0037nm。像差修正穿透式电子显微镜。能够将分辨率降到低于0.05nm，足够清楚地观测个别原子。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；而且由于操作时，样品环境需要维持真空，科学家无法观测活生物。

电子显微镜主要分为两种类式：穿透式和扫描式。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于底片或电荷耦合元件。扫描电子显微镜用聚焦的电子束扫描过样品，就好像在显示机内的光栅扫描。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。

自由雷射

自由电子雷射将相对论性电子束通过一对波荡器。每一个波荡器是由一排交替方向的磁场的磁偶极矩组成。由于这些磁场的作用，电子会发射同步辐射；而这辐射会同调地与电子相互作用。当频率匹配共振频率时，会引起辐射场的强烈放大。自由电子雷射能够发射同调的高辐射率的电磁辐射，而且频域相当宽广，从微波到软X-射线。不久的将来，这仪器可以应用于制造业、通讯业和各种医疗用途，像软组织手术。

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