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1、電子維基百科,自由的百科全書電子(英語: electron)是一種帶有負(fù)電的亞原子粒子,通常標(biāo)記為e。電電子子屬于輕子類,以引力、電磁力和弱核力與其它粒子相互作用。輕子是構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子之一,即其無法被分解為更小的粒子。電子帶有12自旋是一種費(fèi)米子。因此,根據(jù)泡利不相容原理,任何兩個(gè)電子都不能處于同樣的狀態(tài)。電子的反粒子是正子,其質(zhì)量、自旋、帶電量大小都與電子相同但是電量正負(fù)性與電子相反。電子與正子會(huì)因碰撞而互相湮滅,在這過程中,創(chuàng)生一對(duì)以上的光子由電子與中子、質(zhì)子所組成的原子,是物質(zhì)的基本單位。相對(duì)于中子和質(zhì)子所組成的原子核,電子的質(zhì)量顯得極小。質(zhì)子的質(zhì)量大約是電子質(zhì)量的18421原子的電

2、子數(shù)與質(zhì)子數(shù)不等時(shí),原子會(huì)帶電:稱這原子為離子。當(dāng)原子得到額外的電子時(shí),它帶有負(fù)電,叫陰離子,失去電子時(shí),它帶有正電,叫陽離子。若物體帶有的電子多于或少于原子核的電量,導(dǎo)致克魯克斯管實(shí)驗(yàn)可以顯示出電子的粒子性質(zhì)正負(fù)電量不平衡時(shí),稱該物體帶靜電。當(dāng)正負(fù)電量平衡時(shí),稱物體的電性為如圖所示,從左往右直線移動(dòng)的電子束,遇到電中性。靜電在日常生活中有很多用途,例如,靜電油漆系統(tǒng)能夠?qū)⒋善醾€(gè)十字形標(biāo)靶,從而在真空管右面底端顯示或聚氨酯漆,均勻地噴灑于物品表面出十字形陰影電子與質(zhì)子之間的吸引性庫侖力,使得電子被束縛于原子,稱此電子為束組成基本粒子縛電子。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

3、的系費(fèi)米子主要成因。當(dāng)電子脫離原子核的束縛,能夠自由移動(dòng)時(shí),則改稱此電子為代自由電子。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),電子都扮演了機(jī)要的角色。移動(dòng)的基本相互作用引力,電磁力,弱核力電子會(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)射電磁輻符號(hào)反粒子根據(jù)大爆炸理論,宇宙現(xiàn)在所存在的電子,大部份都是創(chuàng)生于大爆炸事件發(fā)現(xiàn)約瑟夫湯姆孫(1897年但是,有一小部份是因?yàn)榉派湫晕镔|(zhì)的衰變或高能量碰撞而創(chuàng)生的。例如,當(dāng)宇宙線進(jìn)入大氣層時(shí)遇到的碰撞。在另一方面,許多電子會(huì)因?yàn)榕c正910938291(40)103相碰撞而互相湮滅,或者,會(huì)在恒星內(nèi)部

4、制造新原子核的恒星核合成過程中被吸收在實(shí)驗(yàn)室里,精密的尖端儀器,像四極離子阱長(zhǎng)時(shí)間局限電子,以供510998928(11)Mevc2觀察和測(cè)量。大型托卡馬克設(shè)施,像國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆,借著局限電平均壽命穩(wěn)定子和離子等離子體,來實(shí)現(xiàn)受控核聚變。無線電望遠(yuǎn)鏡可以用來偵測(cè)外太空電荷的電子等離子體電子的應(yīng)用領(lǐng)域很多,像電子束焊接、陰極射線管、電子顯微鏡、放射線治療、激光和粒子加速器等等0115965218076(27)B目錄自旋歷史探索與發(fā)現(xiàn)2原子理論1.3量子力學(xué)4粒子加速器2物理特性2.1分類22基本性質(zhì)2.3量子性質(zhì)24虛粒子2.5相互作用6原子和分子2.7電傳導(dǎo)和熱傳導(dǎo)28相對(duì)論性電子的性

5、質(zhì)3電子天文學(xué)理論觀測(cè)5應(yīng)用領(lǐng)域51電子束52成像53自由電子激光54其它6參閱注釋8參考文獻(xiàn)歷史早在古希臘時(shí)期,人們就發(fā)現(xiàn)摩擦過的琥珀(古希臘語:nAeKoy, elektron)能吸引輕小物體,他們稱這種現(xiàn)象為電( electricity)在中國,古人王充所著書籍論衡(約公元一世紀(jì),即東漢時(shí)期)中有關(guān)于靜電的記載2:“頓牟掇芥,頓牟就是琥珀,當(dāng)琥珀經(jīng)摩擦后,即能吸引像草芥一類的輕小物體。但古文對(duì)于電并沒有更深入的了解探索與發(fā)現(xiàn)英國人威廉吉爾伯特、法國人查爾斯篤費(fèi)等先后研究和發(fā)表了許多關(guān)于電的現(xiàn)象和電的特但是他們都是通過摩擦的方法產(chǎn)生的電,并且都沒有辦法存儲(chǔ)住大量的電荷萊頓大學(xué)的物理學(xué)教授彼

6、德馬森布羅克發(fā)荷。一直到荷電容原理儲(chǔ)存電荷的萊頓瓶,才為類進(jìn)一步研究打下基礎(chǔ)34到18世紀(jì),美國人本杰明富蘭克林意識(shí)到閃電與摩擦起電是相似的過程,并且做風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)正實(shí)。富蘭克林認(rèn)為在正常狀況,每一種物質(zhì)都含有固定比例的電量。假設(shè),經(jīng)過某種程序,促使物體得到更多電,則稱此物體帶正電;假設(shè),經(jīng)過另一種程序,促使物體失去電則稱此物體帶負(fù)電。假設(shè),這兩個(gè)物體互相接觸到對(duì)方,電流會(huì)從帶正電物體流往帶負(fù)電物體,這樣,設(shè)定了電流方向(與我們今天認(rèn)識(shí)到的電子流動(dòng)方向正好相反在黑暗中,做摩擦起電的動(dòng)作,就能夠看到電火花。空中的閃電也是有顏色的?？墒且x究電流本身的顏色,必須有一個(gè)能夠提供長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)平穩(wěn)電流的電源,

7、并且,這電流必需是在于十八世紀(jì)真空中放電形成的才行。上述幾位研究者都無法得到這種電源,意大利人亞歷山德羅伏扌林對(duì)于電學(xué)貢獻(xiàn)良多發(fā)明的伏打電堆則解決了這一問題。后來,麥可法拉第又研究出更廉價(jià)的發(fā)電機(jī),使得長(zhǎng)時(shí)間維持大量電流變得更加容易。第二問題的解決則是由德國人海因里希蓋斯勒完成,這位杰出的吹管工人,做成了臺(tái)以水銀的往復(fù)運(yùn)動(dòng)為原理的真空泵。他又利用這臺(tái)真空泵,制造出當(dāng)時(shí)世界上最純的真空管,后來稱為蓋斯勒管。19世紀(jì)50年代,德國物理學(xué)家尤利烏斯普呂克將一支空氣含量萬分之一的玻璃管兩端裝上兩根白金絲,并在兩電極之間通上高壓電,便出現(xiàn)了輝光放電( Electric glow discharge)現(xiàn)象

8、。普昌克和他的學(xué)生約翰希托夫發(fā)現(xiàn),輝光在帶負(fù)電的陰極附近出現(xiàn)的。1858年,普呂克報(bào)告了這一現(xiàn)象,并且提出富蘭克林的猜測(cè)是錯(cuò)誤的荷是從陰極發(fā)射到陽極而不是相反?？墒悄禽x光的本質(zhì)到底是不是電流,普呂克還不能確定,他認(rèn)為可能是稀薄氣體或是電極脫落下來的金屬3:92394德國人尤金高德斯坦后來將不同的氣體釋入真空管,并且用不同的金屬做電極,但都得到同樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。于是,他認(rèn)為這種輝光與電流本身有關(guān),并且將它命名為陰極射線。普呂克的學(xué)生希托夫繼續(xù)了老師的實(shí)驗(yàn)。他將真空管做成圓球狀并且在陰極與陽極之間放置了十字形的金屬箔片,在陽極的位置果然出現(xiàn)了十字形陰影,這說明從陰極確實(shí)發(fā)寸出了一些東西(現(xiàn)在我們知道

9、這就是電子)。他還發(fā)現(xiàn)即使將金屬換成透明的云母也能產(chǎn)生陰影這說明這種輝光不同于可見光。然而,要做出進(jìn)一步的研究需要真空度更高的真空管3392394英國人威廉克魯克斯在1878年利用一種水銀真空泵,制造出了氣體含量?jī)H為蓋斯勒管1/75000的真空管,被稱作克魯克斯管。克魯克斯注意到,當(dāng)逐漸抽出克魯克斯管內(nèi)的氣體時(shí)附近開始出現(xiàn)黑暗區(qū)域,隨著真空度的增加,這黑暗區(qū)域也會(huì)擴(kuò)張。克魯克斯提議,這黑暗區(qū)域的寬度與陰極粒子的平均自由程有關(guān);黑暗區(qū)域與輝光區(qū)域的界面即為粒子與氣體分子相互碰撞的起始面;在黑暗區(qū)域內(nèi),沒有什么碰撞:而在輝光區(qū)域,發(fā)生了很多碰撞事件;在管面的螢光,則是因?yàn)榱Ｗ优c管面發(fā)生碰撞13:3

10、94395克魯克斯等英國物理學(xué)家認(rèn)為陰極射線并不是射線,而是一種帶電粒子。這觀點(diǎn)遭到了以海因里希赫茲為首的德國物理學(xué)家的反對(duì)。赫茲的學(xué)生德國物理學(xué)家菲利普萊納德在1889年進(jìn)行了一個(gè)實(shí)驗(yàn):他在陽極安裝了薄鋁箔窗,這樣就能把陰極射線導(dǎo)岀到空氣中。赫茲提岀,陰極射線能夠穿過薄金屬箔,因此它不可能是粒子(事實(shí)上,如果金屬箔足夠薄,光線同樣也能通過)。同時(shí),赫茲還在真空管的兩側(cè)施加了電場(chǎng),結(jié)果發(fā)現(xiàn)并沒有觀察到預(yù)期的偏轉(zhuǎn)(赫茲的電場(chǎng)加得不夠大,偏轉(zhuǎn)難以觀察到,用磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生更好的效果),這更加堅(jiān)定了他的信念895年,讓佩蘭發(fā)現(xiàn)陰極射線能夠使真空管中的金屬物體帶上負(fù)電荷,支持了克魯克斯的理論。1897年,劍

11、橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的約瑟夫湯姆孫重做了赫茲的實(shí)驗(yàn)。使用真空度更高的真空管和更強(qiáng)的電場(chǎng),他觀察出陰極射線的偏轉(zhuǎn),并計(jì)算出了陰極射線粒子(電子)的荷質(zhì)比,因此獲得906年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。湯姆孫采用1891年喬治斯托尼所起的名電子來稱呼這種子。至此,電子做為人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)亞原子粒子和打開原子世界的于1896年,在研究天然發(fā)螢光礦石的時(shí)候,法國物理學(xué)家亨利貝克勒爾發(fā)現(xiàn),不需要施加外能源,這些礦石就會(huì)自然地發(fā)射輻射。這些放射性物質(zhì)引起許多科學(xué)家的興趣,包括發(fā)現(xiàn)這些放射性物質(zhì)會(huì)發(fā)射粒子的新西蘭物理學(xué)家歐尼斯特盧瑟福。按照這些粒子穿透物質(zhì)的能力,盧瑟福替這些粒子分別取名為阿爾法粒子和貝塔粒子(“阿爾法

12、”是希臘字母的第一個(gè)母“a,“貝塔是第二個(gè)字母)。于1900年,貝克勒爾發(fā)現(xiàn),鐳元素發(fā)射出的貝塔射線約瑟夫湯姆孫,電子的會(huì)被電場(chǎng)偏轉(zhuǎn):還有,貝塔射線和陰極射線都有同樣的荷質(zhì)比。這些證據(jù)使得物理學(xué)家更強(qiáng)發(fā)現(xiàn)者烈地認(rèn)為電子本是原子的一部分,貝塔射線就是陰極射線3:408410909年,美國物理學(xué)家羅伯特密立根做了一個(gè)著名實(shí)驗(yàn),稱為油滴實(shí)驗(yàn),可以準(zhǔn)確地測(cè)量岀電子的帶電量。在這實(shí)驗(yàn)里,他使用電場(chǎng)的庫侖力來抵銷帶電油滴所感受到的重力。從電場(chǎng)強(qiáng)度,他計(jì)算岀油滴的帶電量。他的儀器可以準(zhǔn)確地測(cè)量岀含有1到150個(gè)離子的油滴的帶電量,而且實(shí)驗(yàn)誤差可以限制到低于0.3%。他發(fā)現(xiàn)每一顆油滴的帶電量都是一常數(shù)的倍數(shù),

13、因此,他推論這常數(shù)必是電子的帶電量。湯姆孫和學(xué)生約翰湯森德使用電解的離子氣體來將過飽和水蒸氣凝結(jié),經(jīng)過測(cè)量帶電水珠粒的帶電量,他們也得到了相似結(jié)果聞4。于1911年,亞伯蘭約費(fèi)使用帶電金屬微粒獨(dú)立地得到同樣的結(jié)果。但是,油滴比水滴更穩(wěn)定,油滴的蒸發(fā)率較低,比較適合更持久的精準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)間世紀(jì)初,實(shí)驗(yàn)者發(fā)現(xiàn),快速移動(dòng)的帶電粒子會(huì)在經(jīng)過的路徑,使過冷卻、過飽和的水蒸氣凝結(jié)成小霧珠。于19年,査爾斯威耳遜應(yīng)用這理論設(shè)計(jì)出云室儀器。這奇妙的發(fā)明使得實(shí)驗(yàn)者能夠用照相機(jī)拍攝到快速移動(dòng)電子的軌道成為早期研究基本粒子的重要方法冂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)asng enegy

14、最早的原子模型是湯姆孫的梅子布丁模型。發(fā)表于1904年,湯姆孫認(rèn)為電子在原均勻排列,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)量都集中于小小的原子核,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A plan西emme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)重的問題不能解原子的玻爾模型示意圖,顯示出電子會(huì)產(chǎn)生電磁波,而產(chǎn)生電磁波就要消耗能量

15、;最終,耗盡能量的電子將會(huì)一頭撞以主量子數(shù)n標(biāo)記的三個(gè)量子態(tài)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,尼爾斯能級(jí)。當(dāng)一個(gè)電子從能級(jí)較高的玻爾提出了玻爾模型。在這模型中,電子運(yùn)動(dòng)于原子的某一特定的軌域。距離原子核量子態(tài),躍遷至能級(jí)較低的量子軌域的能量就越高。當(dāng)電子從距離原子核更遠(yuǎn)的軌域,躍遷到距離原子核更近態(tài)時(shí),會(huì)發(fā)射一個(gè)光子:這光子的軌域時(shí),會(huì)以光子的形式釋放出能量。相反的,從低能級(jí)軌域躍遷到高能級(jí)軌域則的能量等于兩個(gè)量子態(tài)的能級(jí)差會(huì)吸收能量。借著這些量子化軌域,玻爾正確地計(jì)算出氫原子光譜同。但是,使用玻額爾模型,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

16、光譜。這些難尚待后來量子力學(xué)的解釋916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,稱為電子對(duì),形成了共價(jià)鍵1。于1923年,沃爾特海特勒和弗里茨倫敦應(yīng)用量子力學(xué)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)1213924年,奧地利物理學(xué)家沃爾夫?qū)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)。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)只能有兩種選擇。于1925年,荷蘭物理學(xué)家撒姆爾高斯密特和喬治烏倫貝克提出了第四個(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)軌域的角量以外,可能會(huì)擁有內(nèi)在的角動(dòng)量,稱為自旋:這性質(zhì)可以用來解釋先前在實(shí)驗(yàn)里,用高分辨率光譜儀觀