电子

{{Infobox Particle
|name =電子
|image =
|caption =克魯克斯管實驗可以顯示出電子的粒子性質。如圖所示，從左往右直線移動的電子束，遇到一個十字形標靶，從而在真空管右面底端顯示出十字形陰影。
|composition = 基本粒子
|family = 費米子
|group = 輕子
|generation = 第一代
|interaction = 引力，電磁力，弱核力
|antiparticle = 正電子
|discovered = 约瑟夫·汤姆孙（1897年）
|symbol =e−
|mass=9.109 383 56(11)×10-31 kg
-1.602 176 6208（98）×10-19 C。大约2500年前，古希臘哲學家泰勒斯聲稱他曾經見證到琥珀的這種奇特的性質1924年，法國物理學者路易·德布羅意在博士論文《量子理论研究》裏提議，如同光波一般，物質也具有波粒二象性，因此，在適當狀況下，電子會顯示出波動性。

。機率分佈是機率幅絕對值的平方。此圖顯示1s原子軌域。在每個位置的色彩濃淡表示電子處於那位置的相對機率。]]
德布羅意的波粒二象性論述給予埃爾溫·薛丁格寶貴啟示：既然粒子具有波動性，那麼必定存在有波動方程能夠描述粒子的波動行為。經過一番努力，薛丁格於1926年找到了這波動方程，後來稱為薛丁格方程，是量子力學的基礎方程之一。使用這方程，薛丁格計算出氫原子光譜的頻率數值，其符合實驗結果。不久之後，學者們使用這方程來成功預測其它原子、分子、離子等的性質。對於為什麼在原子裡的電子會穩定地運動於特定的能級軌域，這方程也能給出合理解釋，雖然它不能決定性地給出電子的運動軌道，即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機率，也就是說，在某位置找到電子的機率。1940年代，朝永振一郎、朱利安·施溫格和理察·費曼等創建了量子電動力學，其可以對於這些現象給出合理解釋。1942年，伊利諾大學香檳分校物理學者首先成功地利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，後來更達到300MeV。

1968年，第一座粒子束能量高達1.5GeV的粒子對撞機在義大利的開始運作。這座對撞機能夠將電子和正電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碰撞能量增加一倍。1974年11月11日，伯顿·里克特實驗團隊使用史丹福直線加速器中心那時新裝置的電子和正電子對撞機（SPEAR）與丁肇中實驗團隊在布魯海文國家實驗室分別獨立探測到一種新的次原子粒子，後來命名為J/ψ介子。該發現意味著魅夸克的存在，並且證實了夸克理論的正確性，被視為是規範場論與量子色動力學的一大勝利，後來被稱為「十一月革命」。1979年，德國電子加速器的（PETRA）的發現膠子存在的證據。

從1989年運行到2000年，位於瑞士日內瓦近郊的歐洲核子研究組織的大型電子正子對撞機，其能夠實現高達209GeV的碰撞能量。這對撞機曾經完成多項實驗，對於考練與核對粒子物理學的標準模型的正確性做出重大貢獻。

物理特性
粒子分類
根據粒子物理學的標準模型，電子是基本粒子，凡是自旋為半奇數的基本粒子都是費米子，電子是費米子，因為電子的自旋是 1/2，費米子又分為輕子與重子兩種，它們的主要不同之處是輕子不涉及強相互作用，因此，電子是輕子。在所有帶電的輕子中，電子的質量最小，屬於第一代基本粒子。緲子和陶子分別為第二代和第三代的帶電輕子。它們的帶電量、自旋和所涉及到的基本交互作用都與電子相同。

基本性質
電子的質量大約為9.109 × 10−31kg或5.489 × 10−4amu天文測量顯示出，至少在最近這半個宇宙年齡期間，這質量比例都保持穩定不變，與標準模型所預測的相符合。

電子所帶有的電量是基本電荷的電量：-1.602 × 10−19庫侖。這是亞原子粒子所使用的電荷單位的電量。在實驗準確極限內，電子的絕對帶電量與質子相等，但正負號相反。基本電荷通常用符號 e\,\! 表示。電子用符號 e^- \,\! 表示；正電子用符號 e^+ \,\! 表示

電子擁有內秉的角動量，稱為自旋。電子的自旋量子數為 1/2\,\!。通常，當談到這性質時，電子會被指為是一種自旋1/2粒子。對於這種粒子，自旋角動量是 \sqrt{3}\hbar/2\,\!。{{NoteTag|自旋的角動量 S\,\! 是從自旋量子數 s=1/2\,\! 計算而得：承認電子具有有限半徑這假定不符合相對論的前提，因為，這將導致切向速度快於光速，經典電子半徑是2.82 × 10−15m。蘭姆位移研究揭露，電子的電荷是大致分布於半徑為電子電子康普頓半徑的圓球形區域，電子康普頓半徑的數值為3.86 × 10−13m。從现有理論論證，電子是很穩定的：電子是質量最輕的帶電粒子，它的衰變會違反電荷守恆定律。電子平均壽命的實驗最低限是年，置信水平是90%。

如同所有其它微觀粒子，電子具有粒子性和波動性。這性質稱為波粒二象性。在雙縫實驗裏，單獨粒子能夠同時通過兩條狹縫，並且自己與自己相互干涉，造成了顯示於偵測屏障的明亮條紋和黑暗條紋，使用高階的實驗設備，又可以觀測到，電子總是以一顆顆粒子的方式抵達偵測屏障

電子是全同粒子。沒有任何方法能夠分辨出一個電子與另一個電子有甚麼不同。由於電子的自旋為半整數，電子是費米子，遵循泡利不相容原理，任意兩個電子都不能佔有同樣的量子態。這原理解釋了許多有關電子在原子內的性質，例如，在原子內，每個原子軌域最多只能容納兩個電子，為了符合反對稱性，必須一個電子的自旋往上，另一個電子的自旋往下，而不是所有的束縛電子都佔有同樣一個最低能級的軌域。

如左圖所示，正負電子虛對會隨機性地出現於一個電子（圖內左下方）的附近。當正負電子虛對尚然存在的時候，虛正電子會感受到原本電子施加的吸引性庫侖力，而虛電子則會感受到排斥性庫侖力，因此造成真空極化，真空變得好像一個具有電容率 \epsilon > 1\,\! 的電介質，電子的有效電荷量變得小於真實裸電荷量，而且隨著離原本電子距離的增加而遞減，直到距離大於電子康普頓波長為止。對於電子的質量，虛粒子也會造成屏蔽效應{{NoteTag|對於尺寸為普朗克長度的電子，這篇論文給出9%質量差值。

交互作用
電子是帶負電粒子，其所產生的電場，會吸引像質子一類的帶正電粒子，也會排斥像電子一類的帶負電粒子，這些現象所涉及的作用力遵守庫侖定律。一群電子在空間中的移動會形成電流，安培定律描述電流與磁場彼此之間的關係。

根據經典電動力學，一個任意移動的帶電粒子，必須經過一段傳播時間，才能夠將其影響傳播到場位置，在場位置產生對應的推遲勢，稱為黎納-維謝勢。發射電磁輻射的同時，非相對論性電子也會感受到一種反衝力，稱為阿布拉罕-勞侖茲力，其能減緩電子的移動速度。阿布拉罕-勞侖茲力是一種由電子所產生的電磁場施加於自身的自作用力，是一種。對於波長較長的光波，光子的動量可以被忽略，這種經典電磁學散射被稱為湯姆森散射。

當電子與正電子相互碰撞時，它們會互相湮滅對方，同時生成兩個以上，偶數的伽馬射線光子，以180°相對角度發射出去。假若，可以忽略電子和正電子的動量，則這碰撞可能會先形成電子偶素原子，然後再湮滅成為兩個0.511 MeV伽馬射線光子。載荷流交互作用的媒介是帶電性的W玻色子。通過發射W−玻色子或吸收W+玻色子，電子可轉變為電微中子；逆反過來，通過發射W+玻色子或吸收W-玻色子，電微中子也可轉變為電子。。

在原子與原子之間的化學鍵形成的物理機制是電磁作用，但是只有利用量子力學理論才能給出完整說明。幾種常見的化學鍵為離子鍵、共價鍵和金屬鍵。在離子化合物裏，正離子和負離子會通過靜電作用形成離子鍵。在共價化合物裏，原子與原子之間通過共用電子形成共價鍵。在金屬裏，自由電子與排列成晶格狀的金屬離子之間的靜電吸引力形成金屬鍵。

在分子內部，電子的運動會同時受到幾個原子核的影響，電子佔有分子軌域，就好像在單獨原子內部佔有原子軌域一般。遵守泡利不相容原理，每一個分子軌域只能容納兩個自旋相反的電子，稱為「電子偶。電子是按照能量增加的順序來佔有分子軌域，就如同原子軌域一般。不同的分子軌域有不同的電子機率密度分佈。例如，鍵結軌域利用分子轨道理论來說明最簡單的σ键案例，两个分子轨道是由两个1s原子轨道形成，能量較低的分子轨道稱為「成键轨道」，又稱為「σ轨道」，相应的键稱為「σ键」，能量較高分子轨道稱為「反键轨道」，又稱為「σ轨道」，相应的键稱為「σ键」。分子在基态时，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。。

德鲁德模型是一種「經典自由電子模型」，不涉及到量子力學。按照這模型，帶正電的原子核固定於晶格點，而自由移動於金屬內部的傳導電子是原子的價電子，其帶有負電。使用氣體動力論來描述傳導電子的物理行為，這主要是因為經典麦克斯韦-玻尔兹曼分布無法描述電子的機率分布。

阿諾·索末菲將德茹德模型加以延伸，將量子力學的包立不相容原理納入考量，用費米-狄拉克分布來描述電子的機率分布，他成功發展出，又稱為「自由電子模型」，而在導體內的電子則被稱為「自由電子費米氣體」。德茹德-索莫菲模型正確說明了為什麼電子在室溫下的運動並沒有對於熱容量給出可觀察到的貢獻，又說明了在非常低溫度（幾度Ｋ）狀況下，電子貢獻會超過離子貢獻，因此變得很重要，與溫度成正比。通過做實驗獲得的比例結果顯示，鹼金屬與抗腐蝕金屬（例如銅、金、銀等）的熱容量可以用自由電子模型來估算。。

相對論性電子的性質
根據愛因斯坦的狹義相對論，相對於觀測者的參考系，電子的移動速度越快，電子的相對論性質量（總能量）也越大，因而使得電子繼續加速所需要的能量越來越大，在接近光速時，趨向於無窮大。因此電子的移動速度可以接近光波在真空的傳播速度 c\,\!，但絕不會達到 c\,\!。

光波傳播於像水一類的電介質的速度 v_L\,\!，會明顯地小於 c\,\!。假設，將相對論性電子（電子的速度接近 c\,\! ）入射於這一類的電介質，則相對論性電子在此電介質內的移動速度，會暫時地大於光波傳播於此電介質的速度 v_L\,\!。當相對論性電子移動於此類電介質內部時，由於與電介質相互作用，會產生一種很微弱的輻射，稱為契忍可夫輻射。

狹義相對論的效應要視勞侖茲因子的大小而決定。勞侖茲因子 \gamma\,\! 以方程式定義為
:\gamma\stackrel{def}{=}1/\sqrt{1 - v^2/c^2}\,\!；

其中，v\,\! 是粒子的速度。

一個電子的動能 K_e\,\! 是
:K_e = (\gamma - 1)m_e c^2\,\!；

其中，m_e\,\! 是電子的靜質量。

例如，史丹福直線加速器可以將電子加速到大約51 GeV。由於電子的靜質量大約為0.51 MeV，對應的 \gamma\,\! 值接近100,000。給予同樣的速度，這電子的相對論性動量 \gamma m_e v\,\! 是經典力學預測的動量 m_e v\,\! 的100,000倍。

電子也擁有波動行為，其德布羅意波長 \lambda\,\! 以方程式表達為 \lambda=h/p\,\!；其中，h\,\! 是普朗克常數，p\,\! 是動量。對於前述的51 GeV電子，\lambda\,\! 大約為2.4 × 10−17 m，這波長的尺寸相當微小，所以，實驗者可以用電子來精密地探測原子核的內部結構。

電子天文學理論
。]]

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，有足夠的能量來生成電子和正子對。

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予反應，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，產生核融合。因此，太初核合成過程無法進行，太初核合成階段大致結束。

大爆炸的一百萬年之後，第一代恆星開始形成。

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子生成於黑洞的事件視界，因而使得黑洞發射出霍金輻射。

當一對虛粒子，像正子-電子虛偶，生成於事件視界或其鄰近區域時，這些虛粒子的隨機空間分佈，可能會使得其中一個虛粒子，出現於事件視界的外部。這過程稱為量子穿隧效應。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。這輻射程序稱為霍金輻射。在另一方面，這程序的代價是，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。

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，會生成一射叢的粒子，包括π介子。緲子是一種輕子，是由π介子在高層大氣衰變而產生的。在地球表面觀測到的宇宙線，超過半數是緲子。半衰期為2.2微秒的緲子會因衰變而產生一個電子或正子。正確的π−介子反應式為
:\mathrm \pi^{-} \Rightarrow \mathrm \mu^{-} + \bar{\mathrm \nu}_{\mathrm \mu}\,\!，
:\mathrm \mu^{-} \Rightarrow \mathrm e^{-} + \bar{\mathrm \nu}_\mathrm e +\mathrm \nu_{\mathrm \mu}\,\!；

其中，\mathrm \mu^{-}\,\! 是緲子，\mathrm \nu_{\mathrm \mu}\,\! 是緲微中子，\bar{\mathrm \nu}_{\mathrm \mu}\,\! 是反緲微中子，\bar{\mathrm \nu}_\mathrm e\,\! 是反電微中子。

觀測
內部的電子與離子重結合以後，從激發態躍遷至較低能級的量子態，同時釋放出電磁輻射。由於電磁輻射的頻率與電漿材料的性質有關，因而會顯示出各種不同的顏色。]]

靠著偵測電子的輻射能量，天文學家可以遠距離地觀測到電子的各種現象。例如，在像恆星日冕一類的高能量環境裏，自由電子會形成一種藉著制動輻射來輻射能量的電漿。電子氣體的電漿振盪是一種波動，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的發射。天文學家可以使用無線電望遠鏡來偵測這能量。

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，當照射寬帶光譜的光源所產生的光波於原子時，特徵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徵吸收光譜，像氫光譜。光譜學專門研究光譜線的強度和寬度。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，電子與其它粒子的交互作用，可以用粒子偵測器來仔細觀察。電子的特徵性質，像質量、自旋和電荷等等，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，由於各種先端科技的成功發展，電子磁矩的實驗值已經達到11個位數的精確度。在那時候，是所有由實驗得到的物理常數中，精確度最高的物理常數。

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佈的視訊影像。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，電子的分佈可以用角分辨光電子能譜學來顯像。應用光電效應理論，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佈和方向分佈等等數據。仔細地分析這些數據，即可推論固態物質的電子結構。

應用領域
電子束
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，太空梭四週的游離氣體。]]

是應用於焊接領域的電子束科技。這焊接技術能夠將高達能量密度的熱能，聚焦於直徑為的微小區域。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裏，有些高價值焊接工件不能接受任何瑕疵。這時候，工程師時常會選擇使用電子束焊接來達成任務。

電子束平版印刷術是一種分辨率小於1公釐的蝕刻半導體的方法。這種技術的缺點是成本高昂、程序緩慢、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。最後這缺點限制住分辨率不能小於10奈米。因此，電子束平版印刷術主要是用來製造少數量特別的積體電路。

技術使用電子束來照射物質。爲了要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，可以考慮使用電子束照射技術。做為放射線療法的一種，製備的電子束可以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5–20 MeV的電子束通常可以穿透5公分的生物體），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旋有關，因而造成了電子束的偏振。這過程稱為。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。當粒子達到要求的能量，使電子束和正子束發生互相碰撞與湮滅，這會引起能量的發射。偵測這些能量的分佈，仔細研究分析實驗數據，物理學家可以了解電子與正子碰撞與湮滅的物理行為。

成像
低能電子繞射技術（LEED）照射準直電子束（collimated electron beam）於晶體物質，然後根據觀測到的繞射圖樣，來推斷物質結構。這技術所使用的電子能量通常在20–200 eV之間。（RHEED）技術以低角度照射準直電子束於晶體物質，然後蒐集反射圖樣的數據，從而推斷晶體表面的資料。這技術所使用的電子的能量在8–20 keV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交互作用，電子的性質，像移動方向、相對相位和能量，都會有所改變。細心地分析這些實驗蒐集到的數據，即可得到分辨率為原子尺寸的影像。使用藍色光，普通的光學顯微鏡的分辨率，因受到繞射限制，只能達到200奈米；相互比較，電子顯微鏡的分辨率，則是受到電子的德布羅意波長限制，對於能量為100 keV的電子，分辨率大約為0.0037奈米。能夠將分辨率降到低於0.05奈米，能夠清楚地觀測到個別原子。這能力使得電子顯微鏡成為，在實驗室裏，高分辨率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。在操作電子顯微鏡時，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瞄過樣品，就好像在顯示器內一般。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。應用量子穿隧效應，掃描隧道顯微鏡將電子從尖銳的金屬針尖穿隧至樣品表面。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，即可得到分辨率為原子尺寸的樣本表面影像。

自由電子雷射
在自由電子雷射裡，相對論性電子束會移動通過一對。每一個波盪器是由一排磁偶極矩組成，其磁場的磁偶極矩交替地指向相反方向。由於這些磁場的作用，電子會發射同步輻射；而這輻射會相干地與電子交互作用，會在共振頻率引起輻射場的強烈放大。自由電子雷射能夠發射相干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。這元件可以應用於製造業、通訊業和各種醫療用途，像軟組織手術。

現階段已運行的自由電子雷射有美國史丹福直線加速器中心的直線加速器相干光源（LCLS）、德國電子加速器的漢堡自由電子雷射（Free-electron LASer in Hamburg, FLASH）與正在建造的（E-XFEL）。建成之後，E-XFEL將會是世界上規模最大，能量最高的自由電子雷射裝置。

其它
陰極射線管的核心概念為，勞侖茲力定律的應用於電子束。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，每一個擊中的光子會因為光電效應引起一堆電子被發射出來，造成可偵測的電流脈波。曾經在電子科技研發扮演重要的角色，真空管藉著電子的流動來操縱電子信號；但是，此類元件現在於大多數情況下已被電晶體一類的固態電子元件取代了。不過對於高頻段工作的大功率設備，暫時尚無法被固態元件完全替代。

參閱

• 任意子
• 轻子
• 電子鹽
• 電子泡沫

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• 自旋電子學
• 塞曼效應
• β粒子

註釋
參考文獻