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電子
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基本粒子之一
簡介
電子（electron）是帶負電的亞原子粒子。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。
在電導體中，電流由電子在原子間的獨立運動產(chǎn)生，并通常從電極的陰極到陽極。在半導體材料中，電流也是由運動的電子產(chǎn)生的。但有時候，將電流想象成從原子到原子的缺電子運動更具有說明性。半導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"到負極。
電子屬于亞原子粒子中的輕子類。輕子被認為是構成物質(zhì)的基本粒子之一。它帶有1/2自旋，即又是一種費米子（按照費米—狄拉克統(tǒng)計）。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，負電子的電荷為-1）。
物質(zhì)的基本構成單位——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，原子對外不顯電性。相對于中子和質(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。
當電子脫離原子核束縛在其它原子中自由移動時，其產(chǎn)生的凈流動現(xiàn)象稱為電流。
靜電是指當物體帶有的電子多于或少于原子核的電量，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?nèi)粘Ｉ钪杏泻芏鄳梅椒ǎ渲欣佑?/span>激光打印機。
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(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(zhuǎn)，并計算出負級射線粒子（電子）的質(zhì)量-電荷比例，因此獲得了1906年的諾貝爾物理學獎。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?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后出現(xiàn)的非整量子霍爾效應。
英國劍橋大學研究人員和伯明翰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”置于一塊金屬平板上方，控制其間距離為約30個原子寬度，并將它們置于近乎絕對零度的超低溫環(huán)境下，然后改變外加磁場，發(fā)現(xiàn)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旋子和穴子。
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復雜的相互作用。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。
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，滿足費米子的條件（按照費米-狄拉克統(tǒng)計）。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。最后一層的電子數(shù)量決定物質(zhì)的化學性質(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弱由得失電子難易決定，與得失電子多少無關。
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(chǎn)生的凈流動現(xiàn)象稱為電流。在許多物理現(xiàn)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(chǎn)生磁場，也會被外磁場偏轉(zhuǎn)。呈加速度運動的電子會發(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，而原子核里面的質(zhì)子帶有一個單位的正電荷。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，獲得更多的負電荷（電子比質(zhì)子多）。這個過程稱為摩擦生電。
排布規(guī)律
1、電子是在原子核外距核由近及遠、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?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
在不同的時代，人們對電子在原子中的存在方式有過各種不同的推測。
盧瑟福根據(jù)他的實驗結(jié)果，于1911年，設計出盧瑟福模型。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轉(zhuǎn)一樣圍繞著原子核運轉(zhuǎn)。這一模型對后世產(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(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一頭撞上原子核（就像能量耗盡的人造衛(wèi)星最終會進入地球大氣層）。于1913年，尼爾斯·玻爾提出了玻爾模型。在這模型中，電子運動于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。藉著這些量子化軌域，玻爾正確地計算出氫原子光譜。但是，使用玻爾模型，并不能夠解釋譜線的相對強度，也無法計算出更復雜原子的光譜。這些難題，尚待后來量子力學的解釋。
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。于1923年，沃爾特·海特勒WalterHeitler和弗里茨·倫敦FritzLondon應用量子力學的理論，完整地解釋清楚電子對產(chǎn)生和化學鍵形成的原因。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(nèi)每一個元素的周期性化學性質(zhì)。
于1924年，奧地利物理學家沃爾夫?qū)づ堇靡唤M參數(shù)來解釋原子的殼層結(jié)構。這一組的四個參數(shù)，決定了電子的量子態(tài)。每一個量子態(tài)只能容許一個電子占有。（這禁止多于一個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)。第四個參數(shù)可以有兩個不同的數(shù)值。于1925年，荷蘭物理學家撒姆耳·高斯密特SamuelAbrahamGoudsmit和喬治·烏倫貝克GeorgeUhlenbeck提出了第四個參數(shù)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(nèi)在的角動量，稱為自旋，可以用來解釋先前在實驗里，用高分辨率光譜儀觀測到的神秘的譜線分裂。這現(xiàn)象稱為精細結(jié)構分裂。
質(zhì)量測量
電子的質(zhì)量出現(xiàn)在亞原子領域的許多基本法則里，但是由于粒子的質(zhì)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(zhàn)，得出了迄今為止最精確的電子質(zhì)量測量結(jié)果。
將一個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被捕獲的原子，導致電子自旋上下翻轉(zhuǎn)。通過將原子旋轉(zhuǎn)運動的頻率與自旋翻轉(zhuǎn)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(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1.022MeV很多，有足夠的能量來創(chuàng)生電子和正電子對。
電子
應用領域
焊接應用
電子束科技，應用于焊接，稱為電子束焊接。這焊接技術能夠?qū)⒏哌_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，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)進行。不適合使用普通方法焊接的傳導性物質(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分辨率小于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)很快就會散開，很難維持聚焦。最后這缺點限制住分辨率不能小于10nm。因此，電子束平版印刷術主要是用來制備少數(shù)量特別的集成電路。
放射治療
技術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(yī)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(qū)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。由于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，使電子束和正子束發(fā)生互相碰撞與湮滅，這會引起高能量輻射發(fā)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）照射準直電子束于晶體物質(zhì)，然后根據(jù)觀測到的衍射圖案，來推斷物質(zhì)結(jié)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)會有所改變，像移動方向、相對相位和能量。細心地分析這些數(shù)據(jù)，即可得到分辨率為原子尺寸的樣本影像。使用藍色光，普通的光學顯微鏡的分辨率，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限制，對于能量為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，足夠清楚地觀測個別原子。這能力使得電子顯微鏡成為，在實驗室里，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(yǎng)不易；而且由于操作時，樣品環(huán)境需要維持真空，科學家無法觀測活生物。
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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