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電子
本詞條是多義詞，共4個(gè)義項(xiàng)
基本粒子之一
最早發(fā)現(xiàn)的基本粒子。帶負(fù)電，電量為1.602189×10-19庫侖，是電量的最小單元。質(zhì)量為9.10953×10-28克。常用符號(hào)e表示。1897年由英國物理學(xué)家約瑟夫·約翰·湯姆生在研究陰極射線時(shí)發(fā)現(xiàn)。一切原子都由一個(gè)帶正電的原子核和圍繞它運(yùn)動(dòng)的若干電子組成。電子的定向運(yùn)動(dòng)形成電流，如金屬導(dǎo)線中的電流。利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)，能按照需要控制電子的運(yùn)動(dòng)(在固體、真空中)，從而制造出各種電子儀器和元件，如各種電子管、電子顯微鏡等。電子的波動(dòng)性于1927年由晶體衍射實(shí)驗(yàn)得到證實(shí)。
簡(jiǎn)介
電子（electron）是帶負(fù)電的亞原子粒子。它可以是自由的(不屬于任何原子)，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(jí)別的球形殼里存在。球形殼越大，包含在電子里的能量越高。
在電導(dǎo)體中，電流由電子在原子間的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，并通常從電極的陰極到陽極。在半導(dǎo)體材料中，電流也是由運(yùn)動(dòng)的電子產(chǎn)生的。但有時(shí)候，將電流想象成從原子到原子的缺電子運(yùn)動(dòng)更具有說明性。半導(dǎo)體里的缺電子的原子被稱為空穴（hole）。通常，空穴從電極的正極"移動(dòng)"到負(fù)極。
電子屬于亞原子粒子中的輕子類。輕子被認(rèn)為是構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子之一。它帶有1/2自旋，即又是一種費(fèi)米子（按照費(fèi)米—狄拉克統(tǒng)計(jì)）。電子所帶電荷為e=1.6×10?1?C（庫侖），質(zhì)量為9.11×10?31kg（0.51MeV/c2），能量為5.11×10?eV，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(zhì)量，能量，自旋和等量的正電荷（正電子的電荷為+1，負(fù)電子的電荷為-1）。
物質(zhì)的基本構(gòu)成單位——原子是由電子、中子和質(zhì)子三者共同組成。中子不帶電，質(zhì)子帶正電，原子對(duì)外不顯電性。相對(duì)于中子和質(zhì)子組成的原子核，電子的質(zhì)量極小。質(zhì)子的質(zhì)量大約是電子的1840倍。
當(dāng)電子脫離原子核束縛在其它原子中自由移動(dòng)時(shí)，其產(chǎn)生的凈流動(dòng)現(xiàn)象稱為電流。
靜電是指當(dāng)物體帶有的電子多于或少于原子核的電量，導(dǎo)致正負(fù)電量不平衡的情況。當(dāng)電子過剩時(shí)，稱為物體帶負(fù)電；而電子不足時(shí)，稱為物體帶正電。當(dāng)正負(fù)電量平衡時(shí)，則稱物體是電中性的。靜電在我們?nèi)粘Ｉ钪杏泻芏鄳?yīng)用方法，其中例子有激光打印機(jī)。
研究歷史
電子是在1897年由劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的約瑟夫·約翰·湯姆森在研究陰極射線時(shí)發(fā)現(xiàn)的。約瑟夫·約翰·湯姆森提出了葡萄干模型（棗糕模型）。
1897年，英國劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的約瑟夫·約翰·湯姆森重做了赫茲的實(shí)驗(yàn)。使用真空度更高的真空管和更強(qiáng)的電場(chǎng)，他觀察出負(fù)極射線的偏轉(zhuǎn)，并計(jì)算出負(fù)級(jí)射線粒子（電子）的質(zhì)量-電荷比例，因此獲得了1906年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。湯姆遜采用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(fā)現(xiàn)的第一個(gè)亞原子粒子和打開原子世界的大門被湯姆遜發(fā)現(xiàn)了。
電子并非基本粒子，100多年前，當(dāng)美國物理學(xué)家RobertMillikan首次通過實(shí)驗(yàn)測(cè)出電子所帶的電荷為1.602×10?1?C后，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(jīng)典理論，將電子看作“整體”或者“基本”粒子，將使我們對(duì)電子在某些物理情境下的行為感到極端困惑，比如當(dāng)電子被置入強(qiáng)磁場(chǎng)后出現(xiàn)的非整量子霍爾效應(yīng)。
英國劍橋大學(xué)研究人員和伯明翰大學(xué)的同行合作完成了一項(xiàng)研究。公報(bào)稱，電子通常被認(rèn)為不可分。劍橋大學(xué)研究人員將極細(xì)的“量子金屬絲”置于一塊金屬平板上方，控制其間距離為約30個(gè)原子寬度，并將它們置于近乎絕對(duì)零度的超低溫環(huán)境下，然后改變外加磁場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)金屬板上的電子在通過量子隧穿效應(yīng)跳躍到金屬絲上時(shí)分裂成了自旋子和穴子。
為了解決這一難題，1980年，美國物理學(xué)家RobertLaughlin提出一個(gè)新的理論解決這一迷團(tuán)，該理論同時(shí)也十分簡(jiǎn)潔地詮釋了電子之間復(fù)雜的相互作用。然而接受這一理論確是要讓物理學(xué)界付出“代價(jià)”的：由該理論衍生出的奇異推論展示，電流實(shí)際上是由1/3電子電荷組成的。
性質(zhì)特征
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(zhì)被劃分的作為基本粒子的一類。電子帶有二分之一自旋，滿足費(fèi)米子的條件（按照費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)）。電子所帶電荷約為-1.6×10?1?庫侖，質(zhì)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(zhì)量，自旋和等量的正電荷。電子在原子內(nèi)做繞核運(yùn)動(dòng)，能量越大距核運(yùn)動(dòng)的軌跡越遠(yuǎn)，有電子運(yùn)動(dòng)的空間叫電子層，第一層最多可有2個(gè)電子。第二層最多可以有8個(gè)，第n層最多可容納2n2個(gè)電子，最外層最多容納8個(gè)電子。最后一層的電子數(shù)量決定物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)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(zhì)的電子可以失去也可以得到，物質(zhì)具有得電子的性質(zhì)叫做氧化性，該物質(zhì)為氧化劑；物質(zhì)具有失電子的性質(zhì)叫做還原性，該物質(zhì)為還原劑。物質(zhì)氧化性或還原性的強(qiáng)弱由得失電子難易決定，與得失電子多少無關(guān)。
電子
電子與質(zhì)子之間的吸引性庫侖力，使得電子被束縛于原子，稱此電子為束縛電子。兩個(gè)以上的原子，會(huì)交換或分享它們的束縛電子，這是化學(xué)鍵的主要成因。當(dāng)電子脫離原子核的束縛，能夠自由移動(dòng)時(shí)，則改稱此電子為自由電子。許多自由電子一起移動(dòng)所產(chǎn)生的凈流動(dòng)現(xiàn)象稱為電流。在許多物理現(xiàn)象里，像電傳導(dǎo)、磁性或熱傳導(dǎo)，電子都扮演了要重要的角色。移動(dòng)的電子會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，也會(huì)被外磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)。呈加速度運(yùn)動(dòng)的電子會(huì)發(fā)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(yùn)動(dòng)的原子中，每個(gè)繞原子核運(yùn)動(dòng)的電子都帶有一個(gè)單位的負(fù)電荷，而原子核里面的質(zhì)子帶有一個(gè)單位的正電荷。正常情況下，在物質(zhì)中電子和質(zhì)子的數(shù)目是相等的，它們攜帶的電荷相平衡，物質(zhì)呈中型。物質(zhì)在經(jīng)過摩擦后，要么會(huì)失去電子，留下更多的正電荷（質(zhì)子比電子多）。要么增加電子，獲得更多的負(fù)電荷（電子比質(zhì)子多）。這個(gè)過程稱為摩擦生電。
排布規(guī)律
1、電子是在原子核外距核由近及遠(yuǎn)、能量由低至高的不同電子層上分層排布。
電子
4、電子一般總是盡先排在能量最低的電子層里，即先排第一層，當(dāng)?shù)谝粚优艥M后，再排第二層，第二層排滿后，再排第三層。
原子理論
在不同的時(shí)代，人們對(duì)電子在原子中的存在方式有過各種不同的推測(cè)。
最早的原子模型是湯姆孫的梅子布丁模型。發(fā)表于1904年，湯姆遜認(rèn)為電子在原子中均勻排列，就像帶正電布丁中的帶負(fù)電梅子一樣。1909年，著名的盧瑟福散射實(shí)驗(yàn)徹底地推翻了這模型。
盧瑟福根據(jù)他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，于1911年，設(shè)計(jì)出盧瑟福模型。在這模型里，原子的絕大部分質(zhì)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(yùn)轉(zhuǎn)一樣圍繞著原子核運(yùn)轉(zhuǎn)。這一模型對(duì)后世產(chǎn)生了巨大影響，直到現(xiàn)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(jīng)典力學(xué)的框架之下，行星軌道模型有一個(gè)嚴(yán)重的問題不能解釋：呈加速度運(yùn)動(dòng)的電子會(huì)產(chǎn)生電磁波，而產(chǎn)生電磁波就要消耗能量；最終，耗盡能量的電子將會(huì)一頭撞上原子核（就像能量耗盡的人造衛(wèi)星最終會(huì)進(jìn)入地球大氣層）。于1913年，尼爾斯·玻爾提出了玻爾模型。在這模型中，電子運(yùn)動(dòng)于原子核外某一特定的軌域。距離原子核越遠(yuǎn)的軌域能量越高。電子躍遷到距離原子核更近的軌域時(shí)，會(huì)以光子的形式釋放出能量。相反的，從低能級(jí)軌域到高能級(jí)軌域則會(huì)吸收能量。藉著這些量子化軌域，玻爾正確地計(jì)算出氫原子光譜。但是，使用玻爾模型，并不能夠解釋譜線的相對(duì)強(qiáng)度，也無法計(jì)算出更復(fù)雜原子的光譜。這些難題，尚待后來量子力學(xué)的解釋。
1916年，美國物理化學(xué)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(gè)原子之間一對(duì)共用的電子形成了共價(jià)鍵。于1923年，沃爾特·海特勒WalterHeitler和弗里茨·倫敦FritzLondon應(yīng)用量子力學(xué)的理論，完整地解釋清楚電子對(duì)產(chǎn)生和化學(xué)鍵形成的原因。于1919年，歐文·朗繆爾將路易士的立方原子模型cubicalatom。加以發(fā)揮，建議所有電子都分布于一層層同心的（接近同心的）、等厚度的球形殼。他又將這些球形殼分為幾個(gè)部分，每一個(gè)部分都含有一對(duì)電子。使用這模型，他能夠解釋周期表內(nèi)每一個(gè)元素的周期性化學(xué)性質(zhì)。
于1924年，奧地利物理學(xué)家沃爾夫?qū)づ堇靡唤M參數(shù)來解釋原子的殼層結(jié)構(gòu)。這一組的四個(gè)參數(shù)，決定了電子的量子態(tài)。每一個(gè)量子態(tài)只能容許一個(gè)電子占有。（這禁止多于一個(gè)電子占有同樣的量子態(tài)的規(guī)則，稱為泡利不相容原理）。這一組參數(shù)的前三個(gè)參數(shù)分別為主量子數(shù)、角量子數(shù)和磁量子數(shù)。第四個(gè)參數(shù)可以有兩個(gè)不同的數(shù)值。于1925年，荷蘭物理學(xué)家撒姆耳·高斯密特SamuelAbrahamGoudsmit和喬治·烏倫貝克GeorgeUhlenbeck提出了第四個(gè)參數(shù)所代表的物理機(jī)制。他們認(rèn)為電子，除了運(yùn)動(dòng)軌域的角動(dòng)量以外，可能會(huì)擁有內(nèi)在的角動(dòng)量，稱為自旋，可以用來解釋先前在實(shí)驗(yàn)里，用高分辨率光譜儀觀測(cè)到的神秘的譜線分裂。這現(xiàn)象稱為精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂。
質(zhì)量測(cè)量
電子的質(zhì)量出現(xiàn)在亞原子領(lǐng)域的許多基本法則里，但是由于粒子的質(zhì)量極小，直接測(cè)量非常困難。一個(gè)物理學(xué)家小組克服了這些挑戰(zhàn)，得出了迄今為止最精確的電子質(zhì)量測(cè)量結(jié)果。
將一個(gè)電子束縛在中空的碳原子核中，并將該合成原子放入了名為彭寧離子阱的均勻電磁場(chǎng)中。在彭寧離子阱中，該原子開始出現(xiàn)穩(wěn)定頻率的振蕩。該研究小組利用微波射擊這個(gè)被捕獲的原子，導(dǎo)致電子自旋上下翻轉(zhuǎn)。通過將原子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的頻率與自旋翻轉(zhuǎn)的微波的頻率進(jìn)行對(duì)比，研究人員使用量子電動(dòng)力學(xué)方程得到了電子的質(zhì)量。
正電子反電子
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(xué)界廣泛接受的科學(xué)理論。在大爆炸的最初幾秒鐘時(shí)間，溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高過100億K。那時(shí)，光子的平均能量超過1.022MeV很多，有足夠的能量來創(chuàng)生電子和正電子對(duì)。
電子
應(yīng)用領(lǐng)域
焊接應(yīng)用
電子束科技，應(yīng)用于焊接，稱為電子束焊接。這焊接技術(shù)能夠?qū)⒏哌_(dá)107W·cm能量密度的熱能，聚焦于直徑為0.3～1.3mm的微小區(qū)域。使用這技術(shù)，技工可以焊接更深厚的物件，限制大部分熱能于狹窄的區(qū)域，而不會(huì)改變附近物質(zhì)的材質(zhì)。為了避免物質(zhì)被氧化的可能性，電子束焊接必須在真空內(nèi)進(jìn)行。不適合使用普通方法焊接的傳導(dǎo)性物質(zhì)，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(jià)值焊接工件不能忍受任何缺陷。這時(shí)候，工程師時(shí)常會(huì)選擇使用電子束焊接來完成任務(wù)。
印刷電路
電子束平版印刷術(shù)是一種分辨率小于一毫米的蝕刻半導(dǎo)體的方法。這種技術(shù)的缺點(diǎn)是成本高昂、程序緩慢、必須操作于真空內(nèi)、還有，電子束在固體內(nèi)很快就會(huì)散開，很難維持聚焦。最后這缺點(diǎn)限制住分辨率不能小于10nm。因此，電子束平版印刷術(shù)主要是用來制備少數(shù)量特別的集成電路。
放射治療
技術(shù)使用電子束來照射物質(zhì)。這樣，可以改變物質(zhì)的物理性質(zhì)或滅除醫(yī)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。制備的電子束，被用來照射淺表性腫瘤。由于在被吸收之前，電子束只會(huì)穿透有限的深度（能量為5～20MeV的電子束通?？梢源┩?cm的生物體），電子束療法可以用來醫(yī)療像基底細(xì)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(qū)域。
粒子加速器使用電場(chǎng)來增加電子或正子的能量，使這些粒子擁有高能量。當(dāng)這些粒子通過磁場(chǎng)時(shí)，它們會(huì)放射同步輻射。由于輻射的強(qiáng)度與自旋有關(guān)，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(yīng)。很多實(shí)驗(yàn)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(dòng)量偏差。一當(dāng)粒子達(dá)到要求的能量，使電子束和正子束發(fā)生互相碰撞與湮滅，這會(huì)引起高能量輻射發(fā)射。探測(cè)這些能量的分布，物理學(xué)家可以研究電子與正子碰撞與湮滅的物理行為。
成像技術(shù)
低能電子衍射技術(shù)（LEED）照射準(zhǔn)直電子束于晶體物質(zhì)，然后根據(jù)觀測(cè)到的衍射圖案，來推斷物質(zhì)結(jié)構(gòu)。這技術(shù)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(shù)以低角度照射準(zhǔn)直電子束于晶體物質(zhì)，然后搜集反射圖案，從而推斷晶體表面的資料。這技術(shù)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于樣本。由于電子束與樣本的相互作用，電子的性質(zhì)會(huì)有所改變，像移動(dòng)方向、相對(duì)相位和能量。細(xì)心地分析這些數(shù)據(jù)，即可得到分辨率為原子尺寸的樣本影像。使用藍(lán)色光，普通的光學(xué)顯微鏡的分辨率，因受到衍射限制，大約為200nm；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(zhǎng)限制，對(duì)于能量為100keV的電子，分辨率大約為0.0037nm。像差修正穿透式電子顯微鏡。能夠?qū)⒎直媛式档降陀?.05nm，足夠清楚地觀測(cè)個(gè)別原子。這能力使得電子顯微鏡成為，在實(shí)驗(yàn)室里，高分辨率成像不可缺少的儀器。但是，電子顯微鏡的價(jià)錢昂貴，保養(yǎng)不易；而且由于操作時(shí)，樣品環(huán)境需要維持真空，科學(xué)家無法觀測(cè)活生物。
自由雷射
自由電子雷射將相對(duì)論性電子束通過一對(duì)波蕩器。每一個(gè)波蕩器是由一排交替方向的磁場(chǎng)的磁偶極矩組成。由于這些磁場(chǎng)的作用，電子會(huì)發(fā)射同步輻射；而這輻射會(huì)同調(diào)地與電子相互作用。當(dāng)頻率匹配共振頻率時(shí)，會(huì)引起輻射場(chǎng)的強(qiáng)烈放大。自由電子雷射能夠發(fā)射同調(diào)的高輻射率的電磁輻射，而且頻域相當(dāng)寬廣，從微波到軟X-射線。不久的將來，這儀器可以應(yīng)用于制造業(yè)、通訊業(yè)和各種醫(yī)療用途，像軟組織手術(shù)。
參考資料
[1]
電子[基本粒子之一] · 電子2021-08-18[引用日期2021-08-18]
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作者
