电子(基本粒子之一)

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电子是构成原子的基本粒子之一,质量极小,带单位负电荷,不同的原子拥有的电子数目不同,例如,每一个碳原子中含有6个电子,每一个氧原子中含有8个电子。能量高的离核较远,能量低的离核较近。通常将电子在离核远近不同的区域内运动称为电子的分层排布。
电子(Electron)是一种带有单位负电荷的亚原子粒子之一,通常标记为e⁻。电子属于轻子类,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,即其无法被分解为更小的粒子。电子与正电子会因碰撞而互相排斥,在这过程中,创生一对以上的光子。电子带负电,围绕原子核旋转,同一方向光速运动的电子相互作用力为零。
最新实验观测到电子由轨道子自旋子空穴子组成。电子带有1/2自旋,是一种费米子。因此,根据泡利不相容原理,任何两个电子都不能处于同样的状态。电子的反粒子是正电子,其质量、自旋、带电量大小都与电子相同,但是带电正负性与电子相反;电子与正电子会因碰撞而互相湮灭,在这过程中,创生一对以上的光子(光子的质量比电子小得多,电子的质量:9.10938215(45)×10⁻³¹千克。
中文名
电子
外文名
Electron、Electronic
应用学科
电力、核电
所带电荷
-1.602×10⁻¹⁹库仑
质    量
9.1×10⁻³¹千克,511keV
日文名
エレクトロニクス

电子简介

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电子(electron)是带负电的亚原子粒子。它可以是自由的(不属于任何原子),也可以被原子核束缚。原子中的电子在各种各样的半径和描述能量级别的球形壳里存在。球形壳越大,包含在电子里的能量越高。
在电导体中,电流由电子在原子间的独立运动产生,并通常从电子的极阴极到阳极。在半导体材料中,电流也是由运动的电子产生的。但有时候,将电流想象成从原子到原子的缺电子运动更具有说明性。半导体里的缺电子的原子被称为洞。通常,洞从电极的正极"移动"到负极。[1] 

电子研究历史

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电子是在1897年由剑桥大学卡文迪许实验室的约瑟夫·约翰·汤姆森在研究阴极射线时发现的。约瑟夫·约翰·汤姆森提出了葡萄干模型(枣糕模型)。[2] 
1897年,英国剑桥大学卡文迪许实验室的约瑟夫·约翰·汤姆森重做了赫兹的实验。使用真空度更高的真空管和更强的电场,他观察出负极射线的偏转,并计算出负级射线粒子(电子)的质量-电荷比例,因此获得了1906年的诺贝尔物理学奖。汤姆逊采用1891年乔治·斯托尼所起的名字——电子来称呼这种粒子。至此,电子作为人类发现的第一个亚原子粒子和打开原子世界的大门被汤姆逊发现了。
电子并非基本粒子,100多年前,当美国物理学家Robert Millikan首次通过实验测出电子所带的电荷为1.602×10⁻¹⁹C后,这一电荷值便被广泛看作为电荷基本单元。然而如果按照经典理论,将电子看作“整体”或者“基本”粒子,将使我们对电子在某些物理情境下的行为感到极端困惑,比如当电子被置入强磁场后出现的非整量子霍尔效应
英国剑桥大学研究人员和伯明翰大学的同行合作完成了一项研究。公报称,电子通常被认为不可分。剑桥大学研究人员将极细的“量子金属丝”置于一块金属平板上方,控制其间距离为约30个原子宽度,并将它们置于约零下273℃的超低温环境下,然后改变外加磁场,发现金属板上的电子在通过量子隧穿效应跳跃到金属丝上时分裂成了自旋子和穴子。
为了解决这一难题,1980年,美国物理学家Robert Laughlin提出一个新的理论解决这一迷团,该理论同时也十分简洁地诠释了电子之间复杂的相互作用。然而接受这一理论确是要让物理学界付出“代价”的:由该理论衍生出的奇异推论展示,电流实际上是由1/3电子电荷组成的。
但1981年有物理学家提出,在某些特殊条件下电子可分裂为带磁的自旋子和带电的空穴子

电子分类

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电子属于亚原子粒子中的轻子类。轻子被认为是构成物质的基本粒子之一,即其无法被分解为更小的粒子。它带有1/2自旋,即又是一种费米子(按照费米—狄拉克统计)。电子所带电荷为e=1.6×10⁻¹⁹库仑,质量为9.11×10⁻³¹kg(0.51MeV/c²),能量为5.11×10⁵eV,通常被表示为e⁻。电子的反粒子正电子,它带有与电子相同的质量,能量,自旋和等量的正电荷(正电子的电荷为+1,负电子的电荷为-1)。[3] 
物质的基本构成单位——原子是由电子、中子质子三者共同组成。中子不带电,质子带正电,原子对外不显电性。相对于中子和质子组成的原子核,电子的质量极小。质子的质量大约是电子的1840倍。
当电子脱离原子核束缚在其它原子中自由移动时,其产生的净流动现象称为电流。
各种原子束缚电子能力不一样,于是就由于失去电子而变成正离子,得到电子而变成负离子
静电是指当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的情况。当电子过剩时,称为物体带负电;而电子不足时,称为物体带正电。当正负电量平衡时,则称物体是电中性的。静电在我们日常生活中有很多应用方法,其中例子有激光打印机
电子是在1897年由剑桥大学卡文迪许实验室的约瑟夫·汤姆逊(一般简称汤姆逊)在研究阴极射线时发现的。
一种对在原子核附近以不同概率分布的密云的基本假设。作用范围阶段只能在核外考虑(所有假设粒子都只能在核外摸索摸索)它被归于叫做轻子的低质量物质粒子族,被设成具有负值的单位电荷。[4] 

电子单位负电荷产生单向作用电场力

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电磁学中所定义的带负电点电荷矢量电场作用不同,电子只产生单向作用的单位负电场作用。电子的单位负电场一旦与质子的单位正电荷所产生的单位正电场相互作用,则将成为严格电中性原子结构组合。[5]  在原子结构的层面上,无论是电子所产生的单位负电场力,还是质子所产生的单位正电场力,都不是矢量的电场力,而是相互严格锁定的单向作用力。矢量场作用与单向场作用的区别在于:前者不能使质子与电子的组合形成严格电中性的原子结构(在原子之外的测试点处,由于测试点距离电子和质子的距离不同,正电场力与负电场力矢量叠加的结果不严格为零);后者组成严格电中性的原子结构(被所有相关实验所证实)。
电子的单向作用场性质在经典物理的范围内失效,因为经典物理的点电荷概念包含了成千上万的电子(负电)或质子(正电)。在经典物理中点电荷的电场是大量电子或离子的总体效应,是满足矢量叠加的矢量场。

电子性质特征

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电子块头小重量轻(比μ介子还轻205倍),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9.10×10⁻³¹kg(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。
电子层 电子层
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[6] 
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,物质呈中型。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
自由电子(从原子中逃逸出来的电子)能够在导体的原子之间轻易移动,但它们在绝缘体中不行。于是,物体在摩擦时传递到导体上的电荷会被迅速中和,因为多余的电子会从物质表面流走,或者额外的电子会被吸附到物体表面上代替流失的电子。所以,无论摩擦多么剧烈,金属都不可能摩擦生电。但是,橡胶或塑料这样的绝缘体,在摩擦之后,其表面都会留下电荷。

电子排布规律

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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。
电子云图片 电子云图片
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。
电的速度虽然很快,仅次于光速,但是在没有形成电路之前,一个电子走完1米长的导线大约要1小时长,比蜗牛还慢!

电子实验测量

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电子是物质的相对基本形式,同质子相比是一种相对单纯的存在,同质子不在一个级别,是质子的下一级别。通过撞击,电子可以产生任何形式的基本粒子。
在一项新的实验中,Weizmann机构的科学家设计出精妙的方法去检验这一非整电子电荷是否存在。该实验将能很好地检测出所谓的“撞击背景噪声”,这是分数电荷存在的直接证据。科学家将一个有电流通过的半导体浸入高强磁场,非整量子霍尔效应随之被检测出来,他们又使用一系列精密的仪器排除外界噪声的干扰,该噪声再被放大并分析,结果证实了所谓的“撞击背景噪声”的确来源于电子,因而也证实了电流的确是由1/3电子电荷组成。由此他们得出电子并非自然界基本的粒子,而是更“基本”更“简单”且无法再被分割的亚原子粒子组成。
电子层又称电子壳或电子壳层,是原子物理学中,一组拥有相同主量子数n原子轨道。电子层组成为一粒原子的电子序。这可以证明电子层可容纳最多电子的数量为2n
亨利·莫塞莱和巴克拉X射线吸收研究首次于实验中发现电子层。巴克拉把它们称为K、L和、M(以英文子母排列)等电子层(最初K和L电子层名为B和A,改为K和L的原因是预留空位给未发现的电子层)。这些字母后来被n值1、2、3等取代。它们被用于分光镜的西格班记号法。
电子层的名字起源于波耳模型中,电子被认为一组一组地围绕着核心以特定的距离旋转,所以轨迹就形成了一个壳。

电子稳定性

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当最外层电子数为8,最内层电子数为2时,该原子就形成为相对稳定结构了(氦除外,氦的电子数为2但也是相对稳定结构),不易发生化学反应,稀有气体一般都为相对稳定结构,所以不易发生化学反应,而非稀有气体能够通过化学变化实现成为相对稳定结构,金属元素的最外层电子数一般4,易得电子。
注:电子不能随意抛给大自然。例如氯化钠(即食盐),氯的最外层电子数是7,易得电子1个电子,钠的最外层电子数为1易失去一个电子,氯和钠发生化学反应时,钠将最外层电子给了氯,此时钠和氯的电子电荷数都不等于原子核的电荷数了,钠由于丢了一个电子就带了一个正电荷了,而氯由于得了一个电子,就带了一个负电荷,此时的氯和钠都不能算是原子了,只能说是氯离子钠离子了。根据物理学,正负相吸,氯和钠就将吸在一起,形成氯化钠,大多数的化合物都是这样结合的。
各种元素电子一般得失情况可以通过化合价来表达,如钠一般失掉一个电子显+1(正一)价,那么钠的化合价就是+1价,这是一些常见元素的根及其化合价:
元素和根的符号常见的化合价元素和根的符号常见的化合价元素和根的符号常见的化合价
K
+1
Mn
+2 +4 +6 +7
Si
+4
Na
+1
Zn
+2
N
-3 +2 +3 +4 +5
Ag
+1
H
+1
P
-3 +3 +5
Ca
+2
F
-1
OH
-1
Mg
+2
Cl
-1 +1 +5 +7
NO₃
-1
Ba
+2
Br
-1
SO₄
-2
Cu
+1 +2
O
-2
CO₃
-2
Fe
+2 +3
S
-2 +4 +6
NH₄
+1
Al
+3
C
+2 +4
  

电子实验理论

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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于原子时,很明显特别的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别的吸收光谱,像氢光谱。光谱学专门研究测量这些谱线的强度和宽度。细心分析这些数据,即可得知物质的组成元素和物理性质。
在实验室操控条件下,电子与其它粒子的相互作用,可以用粒子探测器。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。四极离子阱和潘宁阱。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。
1980年,电子磁矩的实验值已经准确到11个位数。在那时候,是所有测得的物理常数中,最准确的一个。于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。
在固态物质内,电子的分布可以用角分辨光电子谱来显像。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。

电子放射性物质

于1896年,在研究天然发萤光矿石的时候,法国物理学家亨利·贝克勒尔发现,不需要施加外能源,这些矿石就会自然地发射辐射。这些放射性物质引起许多科学家的兴趣,包括发现这些放射性物质会发射粒子的新西兰物理学家欧尼斯特·卢瑟福。按照这些粒子穿透物质的能力,卢瑟福替这些粒子分别取名为阿尔法粒子和贝他粒子(“阿尔法”是希腊字母的第一个字母“α”,“贝他”是第二个字母“β”)。于1900年,贝克勒尔发现,镭元素发射出的贝他射线,会被电场偏转;还有,贝他射线和阴极射线都有同样的质量-电荷比例这些证据使得物理学家更强烈地认为电子本是原子的一部分,贝他射线就是阴极射线

电子油滴实验

约瑟夫·汤姆逊,电子的发现者 约瑟夫·汤姆逊,电子的发现者
美国物理学家罗伯特·密立根于1909年做了一个著名实验,准确地测量出电子的带电量。这实验称为油滴实验。在这实验里,他使用电场的库仑力来平衡带电油滴所感受到的引力。从电场强度,他计算出油滴的带电量。他的仪器可以测量出含有1~150个离子的油滴的带电量,误差小于0.3%。他发现每一颗油滴的带电量都是同一常数的倍数,因此,他推论这常数必是电子的带电量。
汤姆逊和学生约翰·汤森德John Townsend。使用电解的离子气体来将过饱和水蒸气凝结,经过测量带电水珠粒的带电量,他也得到了相似结果。于1911年,亚伯兰·约费Abram Ioffe。使用带电金属微粒子,独立地得到同样的结果.他发表这结果于1911年。但是,油滴比水滴更稳定,油滴的蒸发率较低,比较适合更持久的精准实验。
二十世纪初,实验者发现,快速移动的带电粒子会在经过的路径,使过冷却、过饱和的水蒸气凝结成小雾珠。于1911年,应用这理论,查尔斯·威耳逊设计出云室仪器。实验者可以用照相机拍摄快速移动电子的轨道。这是早期研究基本粒子的重要仪器。

电子原子理论

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。
最早的原子模型是汤姆孙的梅子布丁模型。发表于1904年,汤姆逊认为电子在原子中均匀排列,就像带正电布丁中的带负电梅子一样。1909年,著名的卢瑟福散射实验彻底地推翻了这模型。
卢瑟福根据他的实验结果,于1911年,设计出卢瑟福模型。在这模型里,原子的绝大部分质量都集中在小小的原子核中,原子的绝大部分都是真空。而电子则像行星围绕太阳运转一样围绕着原子核运转。这一模型对后世产生了巨大影响,直到现在,许多高科技组织和单位仍然使用电子围绕着原子核的原子图像来代表自己。
在经典力学的框架之下,行星轨道模型有一个严重的问题不能解释:呈加速度运动的电子会产生电磁波,而产生电磁波就要消耗能量;最终,耗尽能量的电子将会一头撞上原子核(就像能量耗尽的人造卫星最终会进入地球大气层)。于1913年,尼尔斯·玻尔提出了玻尔模型。在这模型中,电子运动于原子核外某一特定的轨域。距离原子核越远的轨域能量越高。电子跃迁到距离原子核更近的轨域时,会以光子的形式释放出能量。相反的,从低能级轨域到高能级轨域则会吸收能量。藉著这些量子化轨域,玻尔正确地计算出氢原子光谱。但是,使用玻尔模型,并不能够解释谱线的相对强度,也无法计算出更复杂原子的光谱。这些难题,尚待后来量子力学的解释。
1916年,美国物理化学家吉尔伯特·路易士成功地解释了原子与原子之间的相互作用。他建议两个原子之间一对共用的电子形成了共价键。于1923年,沃尔特·海特勒Walter Heitler和弗里茨·伦敦Fritz London应用量子力学的理论,完整地解释清楚电子对产生和化学键形成的原因。于1919年,欧文·朗缪尔将路易士的立方原子模型cubical atom。加以发挥,建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。他又将这些球形壳分为几个部分,每一个部分都含有一对电子。使用这模型,他能够解释周期表内每一个元素的周期性化学性质。
于1924年,奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利用一组参数来解释原子的壳层结构。这一组的四个参数,决定了电子的量子态。每一个量子态只能容许一个电子占有。(这禁止多于一个电子占有同样的量子态的规则,称为泡利不相容原理)。这一组参数的前三个参数分别为主量子数、角量子数和磁量子数。第四个参数可以有两个不同的数值。于1925年,荷兰物理学家撒姆耳·高斯密特Samuel Abraham Goudsmit和乔治·乌伦贝克George Uhlenbeck提出了第四个参数所代表的物理机制。他们认为电子,除了运动轨域的角动量以外,可能会拥有内在的角动量,称为自旋,可以用来解释先前在实验里,用高分辨率光谱仪观测到的神秘的谱线分裂。这现象称为精细结构分裂。

电子量子力学

于1924年,法国物理学家路易·德布罗意在他的博士论文《Recherches sur la théorie des quanta》(《Research on Quantum Theory》)里,提出了德布罗意假说,假设所有物质都拥有像光子一样的波粒二象性;也就是说,在适当的条件下,电子和其它物质会显示出粒子或波动的性质。假若,物理实验能够显示出,随着时间演化,粒子运动于空间轨道的局域位置,则这实验明确地显示了粒子性质。像光波一类的波动,通过双缝实验的双缝后,会产生干涉图案于探测屏障。这现象毫无疑问地分辨出波动性质。于1927年,英国物理学家乔治·汤姆孙用金属薄膜,美国物理学家克林顿·戴维孙和雷斯特·革末用镍晶体,分别发现了电子的干涉效应。
德布罗意的博士论文给予埃尔温·薛定谔很大的启示:既然粒子具有波动性,那必定有一个波动方程,能够完全地描述这粒子的物理行为。于1926年,薛定谔想出了薛定谔方程。这方程能够描述电子波的传播机制。它并不能命定性地给出电子的明确运动轨道,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几率,也就是说,在某位置找到电子的几率。薛定谔用自己想出的方程来计算氢原子的谱线,得到了与用玻尔模型的预测相同的答案(更详细资料,请参阅氢原子)。薛定谔方程的波动概念,为量子力学创立了一个新的发展平台。再进一步将电子的自旋和几个电子的互相作用纳入考量,薛定谔方程也能够给出电子在其它原子序较高的原子内的电子组态
于1928年,保罗·狄拉克研究出狄拉克方程。这公式能够描述相对论性电子的物理行为。相对论性电子是移动的速度接近光速的电子。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,狄拉克提出了一个真空模形,称为狄拉克之海:即真空是挤满了具有负能量的粒子的无限海。因此,他预言宇宙中存在有正子(电子的反物质搭配)。于1932年,卡尔·安德森在宇宙射线实验中首先证实了正子的存在。
于1947年,威利斯·兰姆在与研究生罗伯特·雷瑟福Robert Retherford合作的实验中,发现氢原子的某些应该不会有能量差值的简并态,竟然出现很小的能量差值。这现象称为兰姆位移。大约同年代,波利卡普·库施助手模板和亨利·福立Henry Foley。在共同完成的一个实验中,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。为了解释这些现象,朝永振一郎、朱利安·施温格和理察·费曼,于1940年代,创建了量子电动力学

电子粒子加速器

二十世纪的前半世纪,粒子加速器运作所需的理论与设备都已发展成熟。物理学家可以开始更进一步的研究亚原子粒子的性质。1942年,唐纳德·克斯特Donald Kerst。首先成功地使用电磁感应将电子加速至高能量。在他领导下,贝他加速器最初的能量达到2.3MeV;后来,能量更达到300MeV。1947年,在通用电器实验室,使用一台70MeV电子同步加速器,物理学家发现了同步辐射,移动于磁场的相对论性电子因为加速度而发射的辐射
1968年,第一座粒子束能量高达1.5GeV的粒子对撞机,名为大储存环对撞机ADONE。在意大利的核子物理国家研究院。开始运作。这座对撞机能够将电子和正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对撞能量增加一倍。从1989年运做到2000年,位于瑞士日内瓦近郊,欧洲核子研究组织的大型电子正子对撞器,能够实现高达209GeV的对撞能量。这对撞器曾经完成多项实验,对于考练与核对粒子物理学的标准模型的正确性有莫大的贡献。[7] 

电子质量测量

电子的质量出现在亚原子领域的许多基本法则里,但是由于粒子的质量极小,直接测量非常困难。一个物理学家小组克服了这些挑战,得出了迄今为止最精确的电子质量测量结果。
将一个电子束缚在中空的碳原子核中,并将该合成原子放入了名为彭宁离子阱的均匀电磁场中。在彭宁离子阱中,该原子开始出现稳定频率的振荡。该研究小组利用微波射击这个被捕获的原子,导致电子自旋上下翻转。通过将原子旋转运动的频率与自旋翻转的微波的频率进行对比,研究人员使用量子电动力学方程得到了电子的质量。

电子应用领域

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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(英语:quadrupole ion trap),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。[8] 
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。

电子天文观测

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。

电子焊接应用

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·c㎡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。

电子印刷电路

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。

电子放射治疗

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。

电子成像技术

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。

电子自由雷射

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。

电子其它

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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,电脑显示器和电视。在光电倍增管内,每一个击中光阴极的光子会因为光电效应引起一堆电子被发射出来,造成可探测的电流脉波。曾经在电子科技研发扮演重要的角色,真空管藉著电子的流动来操纵电子信号;但是,这元件已被晶体管一类的固态电子元件取代了。
科学界对电子的内部结构尚不清楚,也有学者认为电子没有内部结构,其是一条震动弦。

电子天文学

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电子大爆炸理论

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
电子天文学理论 电子天文学理论
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,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,创生的电子多于正电子。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,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

电子库仑场作用

高能量光子能够与原子核的库仑场相互作用,从而创生电子和正电子。这过程称为电子正电子成对产生。
假若温度高于10亿K,任何质子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与反应,形成各种氢的同位素和氦的同位素,和微量的锂和铍。这过程称为太初核合成。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。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子中微子。
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。
大爆炸的一百万年之后,第一代恒星开始形成。在恒星内部,恒星核合成过程的各种核聚变,会造成正电子的创生(参阅质子-质子链反应和碳氮氧循环)。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子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-60(⁶⁰Co)同位素会因衰变而形成-60。

电子黑洞

质量超过20太阳质量的恒星,在它生命的终
电子天文学理论 电子天文学理论
点,会经历到引力坍缩,因而变成一个黑洞。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创生于黑洞的事件视界,因而使得黑洞发射出霍金辐射。
当一对虚粒子,像正电子-电子虚偶,创生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。

电子宇宙线

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3.0×10²⁰eV的粒子。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,会创生一射丛的粒子,包括π介子。渺子是一种轻子,是由π介子在高层大气衰变而产生的。
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参考资料
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  • 7.    Testing the Standard Model: The LEP experiments, CERN. 2008
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