最早發現的基本粒子。帶負電，電量為1.602189×10-19庫侖，是電量的最小單元。質量為9.10956×10-31kg。 常用符號e表示。1897年由英國物理學家約瑟夫·約翰·湯姆生在研究陰極射線時發現。一切原子都由一個帶正電的原子核和圍繞它運動的若干電子組成。電子的定向運動形成電流，如金屬導線中的電流。利用電場和磁場，能按照需要控制電子的運動(在固體、真空中)，從而製造出各種電子儀器和元件，如各種電子管、電子顯微鏡等。電子的波動性於1927年由晶體衍射實驗得到證實。
基本介紹
- 中文名：電子
- 外文名：Electron、Electronic
- 套用學科：化學、物理
- 所帶電荷：-1.602×10-19庫侖
- 質量：9.10956×10-31kg千克，511keV
- 表示符號：e
- 本質：屬於費米子
- 發現者：約瑟夫·約翰·湯姆孫
簡介,研究歷史,性質特徵,排布規律,原子理論,質量測量,正電子反電子,套用領域,天文觀測,焊接套用,印刷電路,放射治療,成像技術,自由雷射,
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空穴（hole）。通常，空穴從電極的正極"移動"到負極。
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。它帶有1/2自旋，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5.11×103eV，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，自旋和等量的正電荷（正電子的電荷為+1，負電子的電荷為-1）。
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。
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。
研究歷史
電子並非基本粒子，100多年前，當美國物理學家Robert Millikan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，並將它們置於近乎絕對零度的超低溫環境下，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旋子和穴子。
為了解決這一難題，1980年，美國物理學家Robert Laughlin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旋子和帶電的空穴子。
性質特徵
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旋，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9.10956×10-31kg（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，自旋和等量的正電荷。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。
電子層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，物質呈中性。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。
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。
電子云圖片
電子云圖片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。
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。
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，稱為自旋，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。
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，導致電子自旋上下翻轉。通過將原子旋轉運動的頻率與自旋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。
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，有足夠的能量來創生電子和正電子對。
電子天文學理論同時，反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，反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，創生的正電子多於反電子。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，會有一個正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，正電子存留的數目跟正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。
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等離子體。
天文觀測
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·cm2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。
