電子

電子

電子是構成原子的基本粒子之一,質量極小,帶單位負電荷,在原子中圍繞原子核鏇轉。不同的原子擁有的電子數目不同,例如,每一個碳原子中含有6個電子,每一個氧原子中含有8個電子。能量高的離核較遠,能量低的離核較近。通常把電子在離核遠近不同的區域內運動稱為電子的分層排布。 電子(Electron)是一種帶有單位負電荷的亞原子粒子之一,通常標記為e。電子屬於輕子類,以重力、電磁力和弱核力與其它粒子相互作用。輕子是構成物質的基本粒子之一,即其無法被分解為更小的粒子。電子與正電子會因碰撞而互相排斥,在這過程中,創生一對以上的光子。電子帶負電,圍繞原子核鏇轉,同一方向光速運動的電子相互作用力為零。 最新實驗觀測到電子由軌道子,自鏇子,空穴子組成。電子帶有1/2自鏇,是一種費米子。因此,根據泡利不相容原理,任何兩個電子都不能處於同樣的狀態。電子的反粒子是正電子,其質量、自鏇、帶電量大小都與電子相同,但是帶電正負性與電子相反;電子與正電子會因碰撞而互相湮滅,在這過程中,創生一對以上的光子(光子的質量比電子小得多,電子的質量:9.10938215(45)×10⁻³¹千克。

基本信息

簡介

電子(electron)是帶負電的亞原子粒子。它可以是自由的(不屬於任何原子),也可以被原子核束縛。原子中的電子在各種各樣的半徑和描述能量級別的球形殼裡存在。球形殼越大,包含在電子裡的能量越高。
在電導體中,電流由電子在原子間的獨立運動產生,並通常從電子的極陰極到陽極。在半導體材料中,電流也是由運動的電子產生的。但有時候,將電流想像成從原子到原子的缺電子運動更具有說明性。半導體裡的缺電子的原子被稱為洞。通常,洞從電極的正極“移動”到負極。

研究歷史

電子是在1897年由劍橋大學卡文迪許實驗室的約瑟夫·約翰·湯姆森在研究陰極射線時發現的。約瑟夫·約翰·湯姆森提出了葡萄乾模型(棗糕模型)。1897年,英國劍橋大學卡文迪許實驗室的約瑟夫·約翰·湯姆森重做了赫茲的實驗。使用真空度更高的真空管和更強的電場,他觀察出負極射線的偏轉,並計算出負級射線粒子(電子)的質量-電荷比例,因此獲得了1906年的諾貝爾物理學獎。湯姆遜採用1891年喬治·斯托尼所起的名字——電子來稱呼這種粒子。至此,電子作為人類發現的第一個亞原子粒子和打開原子世界的大門被湯姆遜發現了。
電子並非基本粒子,100多年前,當美國物理學家RobertMillikan首次通過實驗測出電子所帶的電荷為1.602×10⁻¹⁹C後,這一電荷值便被廣泛看作為電荷基本單元。然而如果按照經典理論,將電子看作“整體”或者“基本”粒子,將使我們對電子在某些物理情境下的行為感到極端困惑,比如當電子被置入強磁場後出現的非整量子霍爾效應。
英國劍橋大學研究人員和伯明罕大學的同行合作完成了一項研究。公報稱,電子通常被認為不可分。劍橋大學研究人員將極細的“量子金屬絲”置於一塊金屬平板上方,控制其間距離為約30個原子寬度,並將它們置於約零下273℃的超低溫環境下,然後改變外加磁場,發現金屬板上的電子在通過量子隧穿效應跳躍到金屬絲上時分裂成了自鏇子和穴子。
為了解決這一難題,1980年,美國物理學家RobertLaughlin提出一個新的理論解決這一迷團,該理論同時也十分簡潔地詮釋了電子之間複雜的相互作用。然而接受這一理論確是要讓物理學界付出“代價”的:由該理論衍生出的奇異推論展示,電流實際上是由1/3電子電荷組成的。
但1981年有物理學家提出,在某些特殊條件下電子可分裂為帶磁的自鏇子和帶電的空穴子。

分類

電子屬於亞原子粒子中的輕子類。輕子被認為是構成物質的基本粒子之一,即其無法被分解為更小的粒子。它帶有1/2自鏇,即又是一種費米子(按照費米—狄拉克統計)。電子所帶電荷為e=1.6×10⁻¹⁹C(庫侖),質量為9.11×10⁻³¹kg(0.51MeV/c²),能量為5.11×10⁵eV,通常被表示為e⁻。電子的反粒子是正電子,它帶有與電子相同的質量,能量,自鏇和等量的正電荷(正電子的電荷為+1,負電子的電荷為-1)。
物質的基本構成單位——原子是由電子、中子和質子三者共同組成。中子不帶電,質子帶正電,原子對外不顯電性。相對於中子和質子組成的原子核,電子的質量極小。質子的質量大約是電子的1840倍。
當電子脫離原子核束縛在其它原子中自由移動時,其產生的淨流動現象稱為電流。
各種原子束縛電子能力不一樣,於是就由於失去電子而變成正離子,得到電子而變成負離子。
靜電是指當物體帶有的電子多於或少於原子核的電量,導致正負電量不平衡的情況。當電子過剩時,稱為物體帶負電;而電子不足時,稱為物體帶正電。當正負電量平衡時,則稱物體是電中性的。靜電在我們日常生活中有很多套用方法,其中例子有雷射印表機。
電子是在1897年由劍橋大學的卡文迪許實驗室的約瑟夫·湯姆遜(一般簡稱湯姆遜)在研究陰極射線時發現的。
一種對在原子核附近以不同機率分布的密雲的基本假設。作用範圍階段只能在核外考慮(所有假設粒子都只能在核外摸索摸索)它被歸於叫做輕子的低質量物質粒子族,被設成具有負值的單位電荷。

單位負電荷產生單向作用電場力

與電磁學中所定義的帶負電的點電荷的矢量電場作用不同,電子只產生單向作用的單位負電場作用。電子的單位負電場一旦與質子的單位正電荷所產生的單位正電場相互作用,則將成為嚴格電中性的原子結構組合。在原子結構的層面上,無論是電子所產生的單位負電場力,還是質子所產生的單位正電場力,都不是矢量的電場力,而是相互嚴格鎖定的單向作用力。矢量場作用與單向場作用的區別在於:前者不能使質子與電子的組合形成嚴格電中性的原子結構(在原子之外的測試點處,由於測試點距離電子和質子的距離不同,正電場力與負電場力矢量疊加的結果不嚴格為零);後者組成嚴格電中性的原子結構(被所有相關實驗所證實)。

電子的單向作用場性質在經典物理的範圍內失效,因為經典物理的點電荷概念包含了成千上萬的電子(負電)或質子(正電)。在經典物理中點電荷的電場是大量電子或離子的總體效應,是滿足矢量疊加的矢量場。

性質特徵

電子內圖部結構模型圖電子內圖部結構模型圖
電子塊頭小重量輕(比μ介子還輕205倍),被歸在亞原子粒子中的輕子類。輕子是物質被劃分的作為基本粒子的一類。電子帶有二分之一自鏇,滿足費米子的條件(按照費米-狄拉克統計)。電子所帶電荷約為-1.6×10⁻¹⁹庫侖,質量為9.10×10⁻³¹kg(0.51MeV/c²)。通常被表示為e⁻。與電子電性相反的粒子被稱為正電子,它帶有與電子相同的質量,自鏇和等量的正電荷。電子在原子內做繞核運動,能量越大距核運動的軌跡越遠,有電子運動的空間叫電子層,第一層最多可有2個電子。第二層最多可以有8個,第n層最多可容納2n²個電子,最外層最多容納8個電子。最後一層的電子數量決定物質的化學性質是否活潑,1、2、3電子為金屬元素,4、5、6、7為非金屬元素,8為稀有氣體元素。
物質的電子可以失去也可以得到,物質具有得電子的性質叫做氧化性,該物質為氧化劑;物質具有失電子的性質叫做還原性,該物質為還原劑。物質氧化性或還原性的強弱由得失電子難易決定,與得失電子多少無關。
由電子與中子、質子所組成的原子,是物質的基本單位。相對於中子和質子所組成的原子核,電子的質量顯得極小。質子的質量大約是電子質量的1842倍。當原子的電子數與質子數不等時,原子會帶電,稱這原子為離子。當原子得到額外的電子時,它帶有負電,叫陰離子,失去電子時,它帶有正電,叫陽離子。若物體帶有的電子多於或少於原子核的電量,導致正負電量不平衡時,稱該物體帶靜電。當正負電量平衡時,稱物體的電性為電中性。靜電在日常生活中有很多用途,例如,靜電油漆系統能夠將瓷漆(英語:enamelpaint)或聚氨酯漆,均勻地噴灑於物品表面。
電子與質子之間的吸引性庫侖力,使得電子被束縛於原子,稱此電子為束縛電子。兩個以上的原子,會交換或分享它們的束縛電子,這是化學鍵的主要成因。當電子脫離原子核的束縛,能夠自由移動時,則改稱此電子為自由電子。許多自由電子一起移動所產生的淨流動現象稱為電流。在許多物理現象里,像電傳導、磁性或熱傳導,電子都扮演了要重要的角色。移動的電子會產生磁場,也會被外磁場偏轉。呈加速度運動的電子會發射電磁輻射。
電荷的最終攜帶者是組成原子的微小電子。在運動的原子中,每個繞原子核運動的電子都帶有一個單位的負電荷,而原子核裡面的質子帶有一個單位的正電荷。正常情況下,在物質中電子和質子的數目是相等的,它們攜帶的電荷相平衡,物質呈中型。物質在經過摩擦後,要么會失去電子,留下更多的正電荷(質子比電子多)。要么增加電子,獲得更多的負電荷(電子比質子多)。這個過程稱為摩擦生電。
自由電子(從原子中逃逸出來的電子)能夠在導體的原子之間輕易移動,但它們在絕緣體中不行。於是,物體在摩擦時傳遞到導體上的電荷會被迅速中和,因為多餘的電子會從物質表面流走,或者額外的電子會被吸附到物體表面上代替流失的電子。所以,無論摩擦多么劇烈,金屬都不可能摩擦生電。但是,橡膠或塑膠這樣的絕緣體,在摩擦之後,其表面都會留下電荷。

排布規律

1、電子是在原子核外距核由近及遠、能量由低至高的不同電子層上分層排布。
2、每層最多容納的電子數為2n²個(n代表電子層數)。
3、最外層電子數不超過8個(第一層不超過2個),次外層不超過18個,倒數第三層不超過32個。
4、電子一般總是儘先排在能量最低的電子層里,即先排第一層,當第一層排滿後,再排第二層,第二層排滿後,再排第三層。
電子云是電子在原子核外空間機率密度分布的形象描述,電子在原子核外空間的某區域內出現,好像帶負電荷的雲籠罩在原子核的周圍,人們形象地稱它為“電子云”。它是1926年奧地利學者薛丁格在德布羅伊關係式的基礎上,對電子的運動做了適當的數學處理,提出了二階偏微分的的著名的薛丁格方程式。這個方程式的解,如果用三維坐標以圖形表示的話,就是電子云。

實驗測量

電子是物質的相對基本形式,同質子相比是一種相對單純的存在,同質子不在一個級別,是質子的下一級別。通過撞擊,電子可以產生任何形式的基本粒子。
在一項新的實驗中,Weizmann機構的科學家設計出精妙的方法去檢驗這一非整電子電荷是否存在。該實驗將能很好地檢測出所謂的“撞擊背景噪聲”,這是分數電荷存在的直接證據。科學家將一個有電流通過的半導體浸入高強磁場,非整量子霍爾效應隨之被檢測出來,他們又使用一系列精密的儀器排除外界噪聲的干擾,該噪聲再被放大並分析,結果證實了所謂的“撞擊背景噪聲”的確來源於電子,因而也證實了電流的確是由1/3電子電荷組成。由此他們得出電子並非自然界基本的粒子,而是更“基本”更“簡單”且無法再被分割的亞原子粒子組成。
電子層又稱電子殼或電子殼層,是原子物理學中,一組擁有相同主量子數n的原子軌道。電子層組成為一粒原子的電子序。這可以證明電子層可容納最多電子的數量為2n。
亨利·莫塞萊和巴克拉的X射線吸收研究首次於實驗中發現電子層。巴克拉把它們稱為K、L和、M(以英文子母排列)等電子層(最初K和L電子層名為B和A,改為K和L的原因是預留空位給未發現的電子層)。這些字母后來被n值1、2、3等取代。它們被用於分光鏡的西格班記號法。
電子層的名字起源於波耳模型中,電子被認為一組一組地圍繞著核心以特定的距離鏇轉,所以軌跡就形成了一個殼。

穩定性

當最外層電子數為8,最內層電子數為2時,該原子就形成為相對穩定結構了(氦除外,氦的電子數為2但也是相對穩定結構),不易發生化學反應,稀有氣體一般都為相對穩定結構,所以不易發生化學反應,而非稀有氣體能夠通過化學變化實現成為相對穩定結構,非金屬元素的最外層電子數一般大於4,易得電子。
註:電子不能隨意拋給大自然。例如氯化鈉(即食鹽),氯的最外層電子數是7,易得電子1個電子,鈉的最外層電子數為1易失去一個電子,氯和鈉發生化學反應時,鈉將最外層電子給了氯,此時鈉和氯的電子電荷數都不等於原子核的電荷數了,鈉由於丟了一個電子就帶了一個正電荷了,而氯由於得了一個電子,就帶了一個負電荷,此時的氯和鈉都不能算是原子了,只能說是氯離子和鈉離子了。根據物理學,正負相吸,氯和鈉就將吸在一起,形成氯化鈉,大多數的化合物都是這樣結合的。
各種元素電子一般得失情況可以通過化合價來表達,如鈉一般失掉一個電子顯+1(正一)價,那么鈉的化合價就是+1價,這是一些常見元素的根及其化合價:
元素和根的符號 常見的化合價 元素和根的符號 常見的化合價 元素和根的符號 常見的化合價
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

實驗理論

根據普朗克關係式,光子的頻率與能量成正比。當一個束縛電子躍遷於原子的不同能級的軌域之間時,束縛電子會吸收或發射具有特定頻率的光子。例如,當照射寬頻光譜的光源於原子時,很明顯特別的吸收光譜會出現於透射輻射的光譜。每一種元素或分子會顯示出一組特別的吸收光譜,像氫光譜。光譜學專門研究測量這些譜線的強度和寬度。細心分析這些數據,即可得知物質的組成元素和物理性質。

在實驗室操控條件下,電子與其它粒子的相互作用,可以用粒子探測器。來仔細觀察。電子的特徵性質,像質量、自鏇和電荷等等,都可以加以測量檢驗。四極離子阱和潘寧阱。可以長時間地將帶電粒子限制於一個很小的區域。這樣,科學家可以準確地測量帶電粒子的性質。例如,在一次實驗中,一個電子被限制於潘寧阱的時間長達10個月之久。

1980年,電子磁矩的實驗值已經準確到11個位數。在那時候,是所有測得的物理常數中,最準確的一個。於2008年2月,隆德大學的一組物理團隊首先拍攝到電子能量分布的視訊影像。科學家使用非常短暫的閃光,稱為阿托秒。脈衝,率先捕捉到電子的實際運動狀況。

在固態物質內,電子的分布可以用角分辨光電子譜來顯像。套用光電效應理論,這科技照射高能量輻射於樣品,然後測量光電發射的電子動能分布和方向分布等等數據。仔細地分析這些數據,即可推論固態物質的電子結構。

放射性物質

於1896年,在研究天然發螢光礦石的時候,法國物理學家亨利·貝克勒爾發現,不需要施加外能源,這些礦石就會自然地發射輻射。這些放射性物質引起許多科學家的興趣,包括發現這些放射性物質會發射粒子的紐西蘭物理學家歐尼斯特·盧瑟福。按照這些粒子穿透物質的能力,盧瑟福替這些粒子分別取名為阿爾法粒子和貝他粒子(“阿爾法”是希臘字母的第一個字母“α”,“貝他”是第二個字母“β”)。於1900年,貝克勒爾發現,鐳元素髮射出的貝他射線,會被電場偏轉;還有,貝他射線和陰極射線都有同樣的質量-電荷比例這些證據使得物理學家更強烈地認為電子本是原子的一部分,貝他射線就是陰極射線。

油滴實驗

約瑟夫·湯姆遜,電子的發現者約瑟夫·湯姆遜,電子的發現者

美國物理學家羅伯特·密立根於1909年做了一個著名實驗,準確地測量出電子的帶電量。這實驗稱為油滴實驗。在這實驗裡,他使用電場的庫侖力來平衡帶電油滴所感受到的引力。從電場強度,他計算出油滴的帶電量。他的儀器可以測量出含有1~150個離子的油滴的帶電量,誤差小於0.3%。他發現每一顆油滴的帶電量都是同一常數的倍數,因此,他推論這常數必是電子的帶電量。

湯姆遜和學生約翰·湯森德John Townsend。使用電解的離子氣體來將過飽和水蒸氣凝結,經過測量帶電水珠粒的帶電量,他也得到了相似結果。於1911年,亞伯蘭·約費Abram Ioffe。使用帶電金屬微粒子,獨立地得到同樣的結果.他發表這結果於1911年。但是,油滴比水滴更穩定,油滴的蒸發率較低,比較適合更持久的精準實驗。

二十世紀初,實驗者發現,快速移動的帶電粒子會在經過的路徑,使過冷卻、過飽和的水蒸氣凝結成小霧珠。於1911年,套用這理論,查爾斯·威耳遜設計出雲室儀器。實驗者可以用照相機拍攝快速移動電子的軌道。這是早期研究基本粒子的重要儀器。

原子理論

在不同的時代,人們對電子在原子中的存在方式有過各種不同的推測。

最早的原子模型是湯姆孫的梅子布丁模型。發表於1904年,湯姆遜認為電子在原子中均勻排列,就像帶正電布丁中的帶負電梅子一樣。1909年,著名的盧瑟福散射實驗徹底地推翻了這模型。

盧瑟福根據他的實驗結果,於1911年,設計出盧瑟福模型。在這模型里,原子的絕大部分質量都集中在小小的原子核中,原子的絕大部分都是真空。而電子則像行星圍繞太陽運轉一樣圍繞著原子核運轉。這一模型對後世產生了巨大影響,直到現在,許多高科技組織和單位仍然使用電子圍繞著原子核的原子圖像來代表自己。

在經典力學的框架之下,行星軌道模型有一個嚴重的問題不能解釋:呈加速度運動的電子會產生電磁波,而產生電磁波就要消耗能量;最終,耗盡能量的電子將會一頭撞上原子核(就像能量耗盡的人造衛星最終會進入地球大氣層)。於1913年,尼爾斯·玻爾提出了玻爾模型。在這模型中,電子運動於原子核外某一特定的軌域。距離原子核越遠的軌域能量越高。電子躍遷到距離原子核更近的軌域時,會以光子的形式釋放出能量。相反的,從低能級軌域到高能級軌域則會吸收能量。借著這些量子化軌域,玻爾正確地計算出氫原子光譜。但是,使用玻爾模型,並不能夠解釋譜線的相對強度,也無法計算出更複雜原子的光譜。這些難題,尚待後來量子力學的解釋。

1916年,美國物理化學家吉爾伯特·路易士成功地解釋了原子與原子之間的相互作用。他建議兩個原子之間一對共用的電子形成了共價鍵。於1923年,沃爾特·海特勒Walter Heitler和弗里茨·倫敦Fritz London套用量子力學的理論,完整地解釋清楚電子對產生和化學鍵形成的原因。於1919年,歐文·朗繆爾將路易士的立方原子模型cubical atom。加以發揮,建議所有電子都分布於一層層同心的(接近同心的)、等厚度的球形殼。他又將這些球形殼分為幾個部分,每一個部分都含有一對電子。使用這模型,他能夠解釋周期表內每一個元素的周期性化學性質。

於1924年,奧地利物理學家沃爾夫岡·泡利用一組參數來解釋原子的殼層結構。這一組的四個參數,決定了電子的量子態。每一個量子態只能容許一個電子占有。(這禁止多於一個電子占有同樣的量子態的規則,稱為泡利不相容原理)。這一組參數的前三個參數分別為主量子數、角量子數和磁量子數。第四個參數可以有兩個不同的數值。於1925年,荷蘭物理學家撒姆耳·高斯密特Samuel Abraham Goudsmit和喬治·烏倫貝克George Uhlenbeck提出了第四個參數所代表的物理機制。他們認為電子,除了運動軌域的角動量以外,可能會擁有內在的角動量,稱為自鏇,可以用來解釋先前在實驗裡,用高解析度光譜儀觀測到的神秘的譜線分裂。這現象稱為精細結構分裂。

量子力學

於1924年,法國物理學家路易·德布羅意在他的博士論文《Recherches sur la théorie des quanta》(《Research on Quantum Theory》)里,提出了德布羅意假說,假設所有物質都擁有像光子一樣的波粒二象性;也就是說,在適當的條件下,電子和其它物質會顯示出粒子或波動的性質。假若,物理實驗能夠顯示出,隨著時間演化,粒子運動於空間軌道的局域位置,則這實驗明確地顯示了粒子性質。像光波一類的波動,通過雙縫實驗的雙縫後,會產生干涉圖案於探測屏障。這現象毫無疑問地分辨出波動性質。於1927年,英國物理學家喬治·湯姆孫用金屬薄膜,美國物理學家柯林頓·戴維孫和雷斯特·革末用鎳晶體,分別發現了電子的干涉效應。

德布羅意的博士論文給予埃爾溫·薛丁格很大的啟示:既然粒子具有波動性,那必定有一個波動方程,能夠完全地描述這粒子的物理行為。於1926年,薛丁格想出了薛丁格方程。這方程能夠描述電子波的傳播機制。它並不能命定性地給出電子的明確運動軌道,電子在任意時間的位置。但是,它可以計算出電子處於某位置的幾率,也就是說,在某位置找到電子的幾率。薛丁格用自己想出的方程來計算氫原子的譜線,得到了與用玻爾模型的預測相同的答案(更詳細資訊,請參閱氫原子)。薛丁格方程的波動概念,為量子力學創立了一個新的發展平台。再進一步將電子的自鏇和幾個電子的互相作用納入考量,薛丁格方程也能夠給出電子在其它原子序較高的原子內的電子組態。

於1928年,保羅·狄拉克研究出狄拉克方程。這公式能夠描述相對論性電子的物理行為。相對論性電子是移動的速度接近光速的電子。為了要解釋狄拉克方程的自由電子解所遇到的反常的負能量態問題,狄拉克提出了一個真空模形,稱為狄拉克之海:即真空是擠滿了具有負能量的粒子的無限海。因此,他預言宇宙中存在有正子(電子的反物質搭配)。於1932年,卡爾·安德森在宇宙射線實驗中首先證實了正子的存在。

於1947年,威利斯·蘭姆在與研究生羅伯特·雷瑟福Robert Retherford合作的實驗中,發現氫原子的某些應該不會有能量差值的簡併態,竟然出現很小的能量差值。這現象稱為蘭姆位移。大約同年代,波利卡普·庫施助手模板和亨利·福立Henry Foley。在共同完成的一個實驗中,發現電子的異常磁矩,即電子的磁矩比狄拉克理論的預估稍微大一點。為了解釋這些現象,朝永振一郎、朱利安·施溫格和理察·費曼,於1940年代,創建了量子電動力學。

粒子加速器

二十世紀的前半世紀,粒子加速器運作所需的理論與設備都已發展成熟。物理學家可以開始更進一步的研究亞原子粒子的性質。1942年,唐納德·克斯特Donald Kerst。首先成功地使用電磁感應將電子加速至高能量。在他領導下,貝他加速器最初的能量達到2.3MeV;後來,能量更達到300MeV。1947年,在通用電器實驗室,使用一台70MeV電子同步加速器,物理學家發現了同步輻射,移動於磁場的相對論性電子因為加速度而發射的輻射。

1968年,第一座粒子束能量高達1.5GeV的粒子對撞機,名為大儲存環對撞機ADONE。在義大利的核子物理國家研究院。開始運作。這座對撞機能夠將電子和正子反方向地分別加速。與用電子碰撞一個靜止標靶相比較,這方法能夠有效地使對撞能量增加一倍。從1989年運做到2000年,位於瑞士日內瓦近郊,歐洲核子研究組織的大型電子正子對撞器,能夠實現高達209GeV的對撞能量。這對撞器曾經完成多項實驗,對於考練與核對粒子物理學的標準模型的正確性有莫大的貢獻。

質量測量

電子的質量出現在亞原子領域的許多基本法則里,但是由於粒子的質量極小,直接測量非常困難。一個物理學家小組克服了這些挑戰,得出了迄今為止最精確的電子質量測量結果。

將一個電子束縛在中空的碳原子核中,並將該合成原子放入了名為彭寧離子阱的均勻電磁場中。在彭寧離子阱中,該原子開始出現穩定頻率的振盪。該研究小組利用微波射擊這個被捕獲的原子,導致電子自鏇上下翻轉。通過將原子鏇轉運動的頻率與自鏇翻轉的微波的頻率進行對比,研究人員使用量子電動力學方程得到了電子的質量。

套用領域

電子的套用領域很多,像電子束焊接、陰極射線管、電子顯微鏡、放射線治療、雷射和粒子加速器等等。在實驗室里,精密的尖端儀器,像四極離子阱(英語:quadrupole ion trap),可以長時間約束電子,以供觀察和測量。大型托卡馬克設施,像國際熱核聚變實驗反應堆,借著約束電子和離子電漿,來實現受控核聚變。無線電望遠鏡可以用來探測外太空的電子電漿。

在一次美國國家航空航天局的風洞試驗中,電子束射向太空梭的迷你模型,模擬返回大氣層時,太空梭四周的游離氣體。

天文觀測

遠距離地觀測電子的各種現象,主要是依靠探測電子的輻射能量。例如,在像恆星日冕一類的高能量環境裡,自由電子會形成一種借著制動輻射來輻射能量的等離子。電子氣體的等離子振盪。是一種波動,是由電子密度的快速震盪所產生的波動。這種波動會造成能量發射。天文學家可以使用無線電望遠鏡來探測這能量。

焊接套用

電子束科技,套用於焊接,稱為電子束焊接。這焊接技術能夠將高達107W·cm能量密度的熱能,聚焦於直徑為0.3~1.3mm的微小區域。使用這技術,技工可以焊接更深厚的物件,限制大部分熱能於狹窄的區域,而不會改變附近物質的材質。為了避免物質被氧化的可能性,電子束焊接必須在真空內進行。不適合使用普通方法焊接的傳導性物質,可以考慮使用電子束焊接。在核子工程和航天工程里,有些高價值焊接工件不能忍受任何缺陷。這時候,工程師時常會選擇使用電子束焊接來完成任務。

印刷電路

電子束平版印刷術是一種解析度小於一毫米的蝕刻半導體的方法。這種技術的缺點是成本高昂、程式緩慢、必須操作於真空內、還有,電子束在固體內很快就會散開,很難維持聚焦。最後這缺點限制住解析度不能小於10nm。因此,電子束平版印刷術主要是用來製備少數量特別的積體電路。

放射治療

技術使用電子束來照射物質。這樣,可以改變物質的物理性質或滅除醫療物品和食品所含有的微生物。做為放射線療法的一種,直線型加速器。製備的電子束,被用來照射淺表性腫瘤。由於在被吸收之前,電子束只會穿透有限的深度(能量為5~20MeV的電子束通常可以穿透5cm的生物體),電子束療法可以用來醫療像基底細胞癌一類的皮膚病。電子束療法也可以輔助治療,已被X-射線照射過的區域。

粒子加速器使用電場來增加電子或正子的能量,使這些粒子擁有高能量。當這些粒子通過磁場時,它們會放射同步輻射。由於輻射的強度與自鏇有關,因而造成了電子束的偏振。這過程稱為索克洛夫-特諾夫效應。很多實驗都需要使用偏振的電子束為粒子源。同步輻射也可以用來降低電子束溫度,減少粒子的動量偏差。一當粒子達到要求的能量,使電子束和正子束髮生互相碰撞與湮滅,這會引起高能量輻射發射。探測這些能量的分布,物理學家可以研究電子與正子碰撞與湮滅的物理行為。

成像技術

低能電子衍射技術(LEED)照射準直電子束於晶體物質,然後根據觀測到的衍射圖案,來推斷物質結構。這技術所使用的電子能量通常在20–200eV之間。反射高能電子衍射(RHEED))技術以低角度照射準直電子束於晶體物質,然後蒐集反射圖案,從而推斷晶體表面的資料。這技術所使用的電子的能量在8~20keV之間,入射角度為1~4°。

電子顯微鏡將聚焦的電子束入射於樣本。由於電子束與樣本的相互作用,電子的性質會有所改變,像移動方向、相對相位和能量。細心地分析這些數據,即可得到解析度為原子尺寸的樣本影像。使用藍色光,普通的光學顯微鏡的解析度,因受到衍射限制,大約為200nm;相互比較,電子顯微鏡的解析度,則是受到電子的德布羅意波長限制,對於能量為100keV的電子,解析度大約為0.0037nm。像差修正穿透式電子顯微鏡。能夠將解析度降到低於0.05nm,足夠清楚地觀測個別原子。這能力使得電子顯微鏡成為,在實驗室里,高解析度成像不可缺少的儀器。但是,電子顯微鏡的價錢昂貴,保養不易;而且由於操作時,樣品環境需要維持真空,科學家無法觀測活生物。

電子顯微鏡主要分為兩種類式:穿透式和掃描式。穿透式電子顯微鏡的操作原理類似高架式投影機,將電子束對準於樣品切片發射,穿透過的電子再用透鏡投影於底片或電荷耦合元件。掃描電子顯微鏡用聚焦的電子束掃描過樣品,就好像在顯示機內的光柵掃描。這兩種電子顯微鏡的放大率可從100倍到1 000 000倍甚至更高。套用量子隧穿效應,掃描隧道顯微鏡將電子從尖銳的金屬針尖隧穿至樣品表面。為了要維持穩定的電流,針尖會隨著樣品表面的高低而移動,這樣即可得到解析度為原子尺寸的樣本表面影像。

自由雷射

自由電子雷射將相對論性電子束通過一對波盪器。每一個波盪器是由一排交替方向的磁場的磁偶極矩組成。由於這些磁場的作用,電子會發射同步輻射;而這輻射會同調地與電子相互作用。當頻率匹配共振頻率時,會引起輻射場的強烈放大。自由電子雷射能夠發射同調的高輻射率的電磁輻射,而且頻域相當寬廣,從微波到軟X-射線。不久的將來,這儀器可以套用於製造業、通訊業和各種醫療用途,像軟組織手術。

其它

陰極射線管的核心概念為,洛倫茲力定律的套用於電子束。陰極射線管廣泛的使用於實驗式儀器顯示器,電腦顯示器和電視。在光電倍增管內,每一個擊中光陰極的光子會因為光電效應引起一堆電子被發射出來,造成可探測的電流脈波。曾經在電子科技研發扮演重要的角色,真空管借著電子的流動來操縱電子信號;但是,這元件已被電晶體一類的固態電子元件取代了。

對科學界對電子的內部結構尚不清楚,也有學者認為電子沒有內部結構,其是一條震動弦。

天文學理論

黑洞

質量超過20太陽質量的恆星,在它生命的終點,會經歷到引力坍縮,因而變成一個黑洞。按照相對論理論,黑洞所具有的超強引力,足可阻止任何物體逃離,甚至電磁輻射也無法逃離。但是,物理學家認為,量子力學效應可能會允許電子和正電子創生於黑洞的事件視界,因而使得黑洞發射出霍金輻射。

當一對虛粒子,像正電子-電子虛偶,創生於事件視界或其鄰近區域時,這些虛粒子的隨機空間分布,可能會使得其中一個虛粒子,出現於事件視界的外部。這過程稱為量子隧穿效應。黑洞的引力勢會供給能量,使得這虛粒子轉變為真實粒子,輻射逃離黑洞。這輻射程式稱為霍金輻射。在另一方面,這程式的代價是,虛偶的另一位成員得到了負能量。這會使得黑洞淨損失一些質能。霍金輻射的發射率與黑洞質量成反比;質量越小,發射率越大。這樣,黑洞會越來越快地蒸發。在最後的0.1秒,超大的發射率可以類比於一個大爆炸。

宇宙線

高能量宇宙線入射於地球大氣層,造成了一陣持久的空中射叢。

宇宙線是遨遊於太空的高能量粒子。物理學者曾經測量到能量高達3.0 × 1020 eV的粒子。當這些粒子進入地球的大氣層,與大氣層的核子發生碰撞時,會創生一射叢的粒子,包括π介子。渺子是一種輕子,是由π介子在高層大氣衰變而產生的。

電子:電子是兩個電速奇子在萬有引力下盤鏇耦合而成的,為電速奇子逃脫原子核後所成之虛像、外像。質量m≈9.1102x10-31kg。

具有逃逸速度的奇子垂直跌入糰子的黃道或紅道,被其軌道上與轉子同步的聚子(與糰子黃道、紅道中公轉轉子同速的聚子)撞擊逃逸而出,就成為電速奇子,電速奇子位於糰子的類彗星軌道上,可以在重子、原子核之間越遷(多數隨重子、原子核振盪接觸而越遷)。

大爆炸理論

風洞試驗風洞試驗

在眾多解釋宇宙早期演化的理論中,大爆炸理論是比較能夠被物理學界廣泛接受的科學理論。在大爆炸的最初幾秒鐘時間,溫度遠遠高過100億K。那時,光子的平均能量超過1.022 MeV很多,有足夠的能量來創生電子和正電子對。

同時,電子和正電子對也在大規模地相互湮滅對方,並且發射高能量光子。在這短暫的宇宙演化階段,電子,正電子和光子努力地維持著微妙的平衡。但是,因為宇宙正在快速地膨脹中,溫度持續轉涼,在10秒鐘時候,溫度已降到30億K,低於電子-正電子創生過程的溫度底限100億K。因此,光子不再具有足夠的能量來創生電子和正電子對,大規模的電子-正電子創生事件不再發生。可是,電子和正電子還是繼續不段地相互湮滅對方,發射高能量光子。由於某些尚未確定的因素,在輕子創生過程(英語:leptogenesis (physics))中,創生的電子多於正電子。否則,假若電子數量與正電子數量相等,就沒有電子了。大約每10億個電子中,會有一個電子經歷了湮滅過程而存留下來。不只這樣,由於一種稱為重子不對稱性的狀況,質子的數目也多過反質子。很巧地,電子存留的數目跟質子多過反質子的數目正好相等。因此,宇宙淨電荷量為零,呈電中性。

庫侖場作用

高能量光子能夠與原子核的庫侖場相互作用,從而創生電子和正電子。這過程稱為電子正電子成對產生。

假若溫度高於10億K,任何質子和中子結合而形成的重氫,會立刻被高能量光子光解。在大爆炸後100秒鐘,溫度已經低於10億K,質子和中子結合而成的重氫,不再會被高能量光子光解,存留的質子和中子開始互相參與反應,形成各種氫的同位素和氦的同位素,和微量的鋰和鈹。這過程稱為太初核合成。在大約1000秒鐘時,溫度降到低於4億K。核子與核子之間,不再能靠著高速度隨機碰撞的機制,克服庫侖障壁,互相接近,產生核聚變。因此,太初核合成過程無法進行,太初核合成階段大致結束。任何剩餘的中子,會因為半衰期大約為614秒的負貝塔衰變,轉變為質子,同時釋出一個電子和一個反電子中微子。

洛倫茲因子與速度的關係線圖洛倫茲因子與速度的關係線圖

在以後的377,000年期間,電子的能量仍舊太高,無法與原子核結合。在這時期之後,隨著宇宙逐漸地降溫,原子核開始束縛電子,形成中性的原子。這過程稱為複合。在這相當快的複合過程時期之後,大多數的原子都成為中性,光子不再會很容易地與物質相互作用。光子也可以自由地移動於透明的宇宙。

大爆炸的一百萬年之後,第一代恆星開始形成。在恆星內部,恆星核合成過程的各種核聚變,會造成正電子的創生(參閱質子-質子鏈反應和碳氮氧循環)。這些正電子立刻會與電子互相湮滅,同時釋放伽馬射線。結果是電子數目穩定地遞減,跟中子數目對應地增加。恆星演化過程會合成各種各樣的放射性同位素。有些同位素隨後會經歷負貝塔衰變,同時發射出一個電子和一個反電子中微子結果是電子數目增加,跟中子數目對應地減少。例如,鈷-60(60Co)同位素會因衰變而形成鎳-60。

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